Ceramika inżynierska jest zwykle kojarzona z twardymi, odpornymi materiałami o wysokiej wytrzymałości temperaturowej. Tymczasem w jej obrębie odnajdujemy całą klasę materiałów o zgoła odmiennych właściwościach, jako stanowią aerożele.
Aerożele powstają poprzez zastąpienie składnika płynnego w żelu gazem. Jako że nawet 99% ich objętości stanowi gaz, wykazują się ekstremalnie niską gęstością, niewiele większą od gęstości powietrza, co czynie je najlżejszymi ciałami stałymi. Po raz pierwszy zostały zsyntetyzowane w 1931 roku. To właśnie niezwykła lekkość i bardzo dobre właściwości w zakresie izolacji termicznej sprawiły, że od tamtego czasu znalazły zastosowanie przede wszystkim w przemyśle kosmicznym. Wykorzystano je między innymi do ocieplenia skafandrów kosmicznych.
Szersze zastosowanie aerożeli napotyka jednak poważne trudności, ze względu na to, że jednoskładnikowe materiały tego typu, zbudowane z ceramicznych tlenków, w zwiększonej temperaturze ulegają rozrostowi ziaren ceramicznych, zagęszczeniu i zapadnięciu porowatości. Najlepiej więc sprawdzają się w środowisku niskotemperaturowym.
Na podstawie badań nad kompozycjami materiałowymi o wysokiej entropii – stopami metali HEA (high entropy alloys) i ceramiką wysokiej entropii HEC (high entropy ceramics), a więc złożonymi z pięciu lub więcej składników w porównywalnych proporcjach, wiadomo już, że takie połączenia mogą wykazywać zaskakujące właściwości, nie do uzyskania w przypadku każdego ze składników z osobna ani ich konwencjonalnych związków. Badacze z chińskiego Instytutu Fizyki Chemicznej w Lanzhou postanowili wykorzystać metodologię kompozycji wysokiej entropii do syntezy nowego typu aerożeli.
Zaproponowany ceramiczny aerożel jest zbudowany ze złożonego tlenku gadolinu, lutetu, tytanu, cyrkonu i hafnu – (Gd1/2Lu1/2)2(Ti1/3Zr1/3Hf1/3)2O7 lub w skrócie GLTZH.
Żel do produkcji aerożelu zsyntetyzowano ze poli(acetyloacetonianiów) wspomnianych pierwiastków, wymieszanych w metanolu z dodatkiem poli(oksyetylenu). Z tak przygotowanej mieszanki, metodą elektroprzędzenia uzyskano nanowłókna, które poddano wygrzewaniu w temperaturze 1000 °C. Poszczególne włókna o średnicy 250 nm, podczas wygrzewania i odparowania alkoholi splotły się w hierarchiczną strukturę, w której odstępy między warstwami wyniosły około 5 µm. W temperaturze mniej więcej 800 °C nastąpiła transformacja fazowa, w wyniku której otrzymano stabilną strukturę w typie fluorytu.
Wytworzony w ten sposób aerożel z tlenku GLTZH charakteryzuje się wyjątkowymi właściwościami, takimi jak gęstość zaledwie 4.35 mg/cm3, nadsprężystość i odkształcalność względna przy ściskaniu do 98%. Odkształcony aerożel powraca do pierwotnego kształtu w szerokim zakresie temperatur od -196 do 1,500 °C. Wytrzymuje także tysiąc cykli ściskania z odkształceniem na poziomie 50%, skręcanie o 360° i zginanie o 180°. W temperaturze do 1400 °C zachowuje drobnoziarnistą strukturę krystaliczną. W temperaturze pokojowej wykazuje przewodność cieplną 24,14 mW·m⁻¹·K⁻¹, a w temperaturze 1000 °C zaś 81,21 mWm⁻¹·K⁻¹, co czyni go potencjalnym wysokotemperaturowym materiałem izolacyjnym.
Dzięki unikalnym właściwością, mogą znaleźć zastosowanie jako izolacja termiczna w ekstremalnych warunkach, na przykład podczas lotów hipersonicznych.
ceramics.org
X. Jiang, T. Du, H. Fan, et al.: Superelastic High-Entropy Oxide Ceramic Aerogels for Thermal Superinsulation and Sealing at Extreme Conditions. Adv. Sci. 13, no. 11 (2026): e16840
