张学同研究员团队在气凝胶激光防护材料领域取得进展

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气凝胶是一种具有连续三维多孔网络结构的超轻固体材料，其独特的结构赋予其优异的热学、光学及力学等理化性质，能够对外来能量进行有效管理，在超级隔热、高效电磁屏蔽及力学防护等领域受到广泛关注。然而，气凝胶在极端环境下的多能量场耦合冲击（如高能激光）防护方面鲜有报道，且相关气凝胶材料的结构设计理念及合成机制尚不明确。
　　鉴于此，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员团队通过构筑纳米带状的氮化硼基元，发展得到一种具有轻质、高反射特征的超白氮化硼气凝胶材料：氮化硼基元的二维平面形态具有强的光学背散射效应，可作为光学纳米屏障（图1a）；大的长宽比利于纳米基元相互交织形成气凝胶三维网络（图1b）。氮化硼气凝胶的高反射特征可实现对高能激光的有效反射，最大程度减少激光在材料表面热量的沉积。此外，结合氮化硼气凝胶自身低导热、耐高温及力学柔性等特征，可有效降低激光沉积热量的纵向传递，并承受激光衍生的局域高温场所带来的高温损伤及热应力冲击。多种因素协同（图1c），保证超白氮化硼气凝胶在高能激光辐照时维持结构完好（图1d），并兼具低密度（~0.017 g/cm3）及高激光防护阈值（~2.1×104 W/cm2），在高能激光领域表现出优异的防护性能。该工作以Super-white boron nitride aerogel-enabled high-energy laser irradiation protection为题，发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上。文章第一作者是中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所柴玉山硕士生与李广勇副研究员，通讯作者为张学同研究员。该工作获得了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金及中国博士后科学基金资助。

　　图1. 氮化硼纳米带的背向光散射（a），氮化硼气凝胶三维多孔网络结构（b），氮化硼气凝胶激光防护要素（c）及其激光辐照光学照片（d）
　　首先，研究人员以硼酸与三聚氰胺小分子作为前驱体，水/叔丁醇为共溶剂，发展超声辅助溶胶-凝胶组装策略，构筑得到三聚氰胺二硼酸盐纳米带前驱体。随后经冷冻干燥及高温热解，获得氮化硼纳米带气凝胶。合成过程中，通过调控超声水浴温度，操纵三聚氰胺、硼酸之间的氢键组装行为及结晶行为，实现对纳米带尺寸（宽度）的调控，获得轻质、柔性的超白氮化硼气凝胶。
　　随后，利用可见光波段激光辐照进行光学性能评估。氮化硼气凝胶在不同激光入射角度、施加不同应力载荷及长时辐照时，均表现出高的光学反射率（~99%）。进一步，当高能激光束（功率：300-1500 W，光斑直径：3 mm）持续照射（辐照时间：几十秒，甚至上百秒）在氮化硼气凝胶表面时，氮化硼气凝胶对激光产生漫反射效应，形成大尺寸明亮光斑，且氮化硼气凝胶结构保持完好。其中，氮化硼气凝胶的激光防护阈值可高达2.1×104 W/cm2，优于现有激光防护材料体系（~103 W/cm2）。
　　当激光束功率密度高于氮化硼气凝胶防护阈值时，激光在氮化硼气凝胶表面形成局域高温场，进而损伤辐照区域的氮化硼纳米基元，并形成与光斑形状相似的烧蚀孔洞。然而，孔洞周围的氮化硼气凝胶网络保持完好，无外延损伤裂纹。相反的，当高能激光束辐照在脆性氧化硅气凝胶表面时，不仅在辐照区域产生烧蚀孔洞，辐照区域周围相继衍生裂纹，并导致氧化硅气凝胶破碎。该现象表明，氮化硼气凝胶柔性骨架可有效缓冲局域高温场的热应力冲击，将损伤局限在激光辐照区域。
　　该研究工作为未来轻质气凝胶高能激光防护材料的设计与制备提供新的研究思路。
　　论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202304355
       文章来源：苏州纳米所
       张学同，博士，博士生导师，苏州纳米所先进材料部副主任、苏州市“纳米节能技术与低碳建筑应用”重点实验室主任。主要从事气凝胶材料的控制合成及应用研究，已在Scientific Reports、Advanced Materials、ACS Nano、Energy & Environmental Science等高水平SCI期刊上发表学术论文70余篇，全部论文被引超过2800次，单篇最高被引超过400次，H指数25。研究成果多次得到美国化学会(ACS)、英国皇家化学会（RSC）、Materials Views中国等新闻媒体广泛报道。申请了中国发明专利20余项，其中10余项已经实现商业化转让。