氣凝膠（aerogal），這種性能優(yōu)異密度極小的材料自其誕生之日便引起了相當(dāng)多的科學(xué)和工程界專業(yè)人士的關(guān)注，但限于制備難度高、成品率低、成本高等諸多因素，在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)未獲得明顯的技術(shù)突破，其研究和應(yīng)用也受到很大的限制。直到1993年美國(guó)NASA在氣凝膠制備中實(shí)現(xiàn)突破后，氣凝膠的發(fā)展才煥發(fā)出新的活力，眾多的科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)等紛紛跟進(jìn)，研究方向迅速擴(kuò)散，研究成果層出不窮，新型氣凝膠的密度越來(lái)越低，使用材料越來(lái)越多，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，也成為目前不可忽視的軍、民用前沿材料之一。

    氣凝膠（aerogal），又稱氣溶膠，是一種由細(xì)小粒子聚集而成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的具有固態(tài)特征的膠態(tài)體系，氣凝膠的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中充滿的介質(zhì)是氣體，外表呈固體狀。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得氣凝膠非常輕，成為了目前世界上密度最小的幾種固體之一。

 圖：典型的二氧化硅氣凝膠，密度低于3毫克/立方厘米，可以由小草的葉片輕松支撐，且小草的葉片沒有明顯的變形。

    那么氣凝膠在航空航天領(lǐng)域有哪些應(yīng)用？

    還有哪些知識(shí)需要了解？

    一起來(lái)看看吧！

    1.氣凝膠在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

    氣凝膠最早的應(yīng)用是由美國(guó)宇航局（NASA）發(fā)展的，目前，在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

    （1）航空

    氣凝膠材料已在航空器中得到了應(yīng)用，目前主要用于飛機(jī)有乘員的艙室艙壁和重要儀器的隔熱防護(hù)，主要在美、英兩國(guó)的飛機(jī)中應(yīng)用，如，美國(guó)MKV-22“魚鷹”可傾旋翼機(jī)艙壁隔熱系統(tǒng)和紅外系統(tǒng)的防護(hù)均使用到了氣凝膠。又如，英國(guó)“美洲豹”戰(zhàn)斗機(jī)改型的駕駛艙機(jī)艙隔熱壁中即使用了氣凝膠材料。

上圖為美國(guó)MKV-22“魚鷹”可傾旋翼機(jī)，下圖為英國(guó)“美洲豹”戰(zhàn)斗機(jī)

    另外，隨著氣凝膠的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化，此類超輕、多用途材料現(xiàn)在已經(jīng)具備了在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用基礎(chǔ)，經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展后，勢(shì)必會(huì)在飛行器和航空發(fā)動(dòng)機(jī)中獲得應(yīng)用。

    以下6個(gè)或成為今后氣凝膠有所作為的方向：

    1.熱防護(hù)和熱管理系統(tǒng)；2.夾芯、夾層結(jié)構(gòu)；3.防護(hù)結(jié)構(gòu)；4.新型減震結(jié)構(gòu)；5.天線用絕緣材料；6.輕質(zhì)保暖飛行服

    （2）航天

    美國(guó)NASA已經(jīng)用氣凝膠制備了宇航員飛行隔熱內(nèi)里，該夾層厚度約為18mm，能夠幫助宇航員忍受1400℃高溫～-130℃超低溫，并經(jīng)過了多次天地往返的考驗(yàn)。氣凝膠也被用于“火星探路者”、“火星漫步者”火星車，用于保護(hù)火星車中關(guān)鍵的電器元件和線路忍受-100℃的低溫。氣凝膠還被廣泛用于飛船、衛(wèi)星、探測(cè)器等的電路等部分的隔熱保護(hù)中。此外，美國(guó)通過氣凝膠填塞的回收手套實(shí)現(xiàn)了彗星塵的收集。

    上為宇航服內(nèi)里，中為火星漫步者火星車，下為收集了彗星星塵的氣凝膠

    2.世界上密度最小的固體

    自發(fā)明以來(lái)，氣凝膠的密度屢創(chuàng)新低，不斷刷新密度最小的固體的世界記錄。

圖：浙江大學(xué)研制的全碳?xì)饽z，3立方厘米氣凝膠僅靠花蕊即可支撐，且花蕊沒有明顯變形。

    3.有些氣凝膠能承受上千度高溫

    氣凝膠材料突出的隔熱性能，1英寸厚的氣凝膠相當(dāng)于20至30塊普通玻璃的隔熱性能，使其相對(duì)于內(nèi)部網(wǎng)格組成材料更為耐熱。用于高溫隔熱的氣凝膠必須由耐高溫的材料制備而成，目前，用于高溫隔熱的氣凝膠多由二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、碳等制成，其中，二氧化硅氣凝膠最高能承受1400℃的高溫，已經(jīng)具備了相當(dāng)程度的耐高溫性能。

圖：綜合顯示氣凝膠隔熱和耐高溫功能

    4.密度雖小，卻有超高的強(qiáng)度

    氣凝膠雖然密度小，但其具有粒子聚集而成的三維網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，這些微骨架結(jié)構(gòu)的尺寸在1～100nm范圍內(nèi)，由微觀微骨架形成的氣凝膠骨架在宏觀尺度上表現(xiàn)出各項(xiàng)同性，并表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度。這使得看似脆弱的氣凝膠材料能夠承擔(dān)起自重?cái)?shù)千倍的重量，并且不變形，表現(xiàn)出較好的剛性。

圖：在一塊氣凝膠材料上放置一個(gè)磚塊，而氣凝膠仍能保持原狀。

    5.超強(qiáng)的吸附能力，外號(hào)“超級(jí)海綿”

    氣凝膠表面的微細(xì)孔極多，孔徑普遍在50nm數(shù)量級(jí)，對(duì)于空氣中、液體中的污染物具有極強(qiáng)的吸附能力，特別是對(duì)液體中的污染物有著超高的可吸附性能，因此被稱為“超級(jí)海綿”，對(duì)氣體、液體中的重金屬具有較佳的吸附性能，是一種新型的環(huán)保產(chǎn)品。

圖：用氣凝膠產(chǎn)品建設(shè)的吸附性建筑

    6.氣凝膠的制備

    由于氣凝膠的應(yīng)用性設(shè)計(jì)是基于它的性能，而性能由其結(jié)構(gòu)來(lái)決定，因此在制備過程中微結(jié)構(gòu)的調(diào)控是十分重要的。

    氣凝膠制備過程示意圖如圖所示，氣凝膠的制備過程主要包括三個(gè)重要步驟：

    ①溶液到溶膠過程：

    納米尺度的膠體粒子通過縮聚和水解反應(yīng)在均勻的前驅(qū)物溶液中形成，或是通過催化劑來(lái)催化加速；

    ②溶膠到凝膠的過程（凝膠）：

    溶膠粒子之間手拉手連接，分層裝配進(jìn)一個(gè)具有連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的濕凝膠；

    ③凝膠到氣凝膠的過程（干燥）：

    這個(gè)過程中濕凝膠中的溶劑被空氣所替代，同時(shí)不會(huì)有嚴(yán)重的微結(jié)構(gòu)破壞。

    氣凝膠的制備技術(shù)主要包括溶膠—凝膠技術(shù)和干燥技術(shù)，前者主要是獲得具有一定空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的含有少量催化劑的醇凝膠，后者則是去掉醇凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架中的溶劑得到最終的氣凝膠材料。

    7.氣凝膠目前主要的產(chǎn)品形式

    當(dāng)前氣凝膠的產(chǎn)品形態(tài)主要有氈、板、布、紙、顆粒、粉末和異形件等，其中，大部分的產(chǎn)品是具有保溫功能的氣凝膠產(chǎn)品。氣凝膠顆粒、板、布、紙和異形件，都是氣凝膠與相應(yīng)產(chǎn)品形態(tài)的纖維復(fù)合所得的產(chǎn)品，基本的技術(shù)工藝是類似的，但是產(chǎn)品應(yīng)用有著較大的區(qū)別。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國(guó)內(nèi)外最新動(dòng)態(tài)，我們網(wǎng)站會(huì)不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：王元

《中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事
投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414