2.1 氣凝膠的制備

二氧化硅氣凝膠是氣凝膠家族中最典型的代表，也是當前研究最成熟、應用最廣泛的一類氧化物氣凝膠^［4-10］。以二氧化硅氣凝膠為例，深度理解氣凝膠材料的制備方法、結(jié)構(gòu)特點及功能特性對其在空天領(lǐng)域的應用具有重要作用。溶膠凝膠法是目前制備氣凝膠材料最普遍的方法，主要包括凝膠的制備、凝膠的老化和凝膠的干燥三個重要階段，如圖1所示^［11］。

圖1   氣凝膠制備過程示意圖

Fig.1   Schematic diagram of aerogel preparation process

二氧化硅濕凝膠的制備主要是通過溶膠-凝膠來實現(xiàn)的，涉及復雜的反應過程，主要包括硅源的水解和縮聚兩類反應。硅源前驅(qū)體分子在催化劑的催化作用下，其Si-OR發(fā)生水解反應，生成活性較高的含有Si-OH的小分子。這些活性小分子在催化劑的作用下，既可以Si-OH之間相互發(fā)生脫水縮合，也可以跟未水解的Si-OR發(fā)生醇縮合反應，從而形成低聚物的溶膠顆粒。低聚物溶膠表面仍然含有部分未反應的活性較高的-OH，會使得溶膠顆粒之間進一步縮聚，形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高聚物凝膠。

二氧化硅凝膠形成以后，并不等于溶膠凝膠過程已經(jīng)完全結(jié)束，當達到凝膠點時，體系中前驅(qū)體或預聚物的水解-聚合反應還遠沒有停止。在凝膠形成初期，凝膠網(wǎng)絡(luò)的骨架強度非常低，在后期干燥的過程中容易發(fā)生收縮，甚至造成裂縫，不利于得到尺寸無收縮的完整塊體。因此，為了提高凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強度，需要在凝膠形成后，使溶膠中的膠體粒子和小團簇繼續(xù)發(fā)生縮聚反應，保證進一步聚集粘連，從而擴展到整個凝膠網(wǎng)絡(luò)，該過程即為老化。

干燥是二氧化硅氣凝膠在制備過程中另外一個重要的步驟。醇凝膠的固態(tài)網(wǎng)絡(luò)骨架空隙中存在大量的液體，包括有機溶劑和水等。要得到氣凝膠，必須將濕凝膠中溶劑除去，超臨界干燥是防止干燥過程中凝膠發(fā)生收縮破裂的最有效方法。二氧化硅氣凝膠在干燥過程中，凝膠產(chǎn)生開裂主要是由于毛細管壓力的作用，毛細管壓力來源于液氣兩相的表面張力。如果將二氧化硅凝膠中的液體加壓加熱到臨界溫度和臨界壓力以上，則體系中的液氣界面會消失，凝膠中的毛細管壓力也不復存在，基于上述原理的干燥方法即為超臨界干燥法。

2.2 氣凝膠的結(jié)構(gòu)

SiO₂氣凝膠的骨架顆粒結(jié)構(gòu)包含了初次粒子和次級粒子，由硅源縮聚而形成的密實無定形二氧化硅初次粒子（1～2 nm）聚集成球形的次級粒子（5～10 nm），次級粒子再通過相互連接形成珍珠項鏈狀的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如同高枝化的高聚物，如圖2所示^［12］。這種混亂的納米顆粒之間存在大量的孔隙，氣凝膠骨架顆粒的粒徑與相應的孔徑基本小于50 nm，使得氣凝膠具有低密度（0.1～0.2 g/cm³）和高孔隙率（90%～99%）等特性。二氧化硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)與所采取的制備過程是密切相關(guān)的，溶膠凝膠、老化、干燥等階段對最終氣凝膠微觀形貌的影響非常大。

圖2   典型二氧化硅氣凝膠結(jié)構(gòu)

Fig.2   Typical silica aerogel structure

2.3 氣凝膠的性能

二氧化硅氣凝膠的納米多孔結(jié)構(gòu)特點賦予了其眾多優(yōu)異的功能特性，在空天領(lǐng)域，氣凝膠的隔熱性能無疑是最令人關(guān)注的。由于多孔特性和納米尺度孔徑，二氧化硅氣凝膠是高度隔熱材料，其熱導率比靜止的空氣（0.025 W/m·K^-1）還低。Kistler最早證明，在環(huán)境溫度下，氣凝膠的熱導率約為0.02 W/m·K^-1，抽真空時熱導率約為0.005 W/m·K^-1。當前，二氧化硅氣凝膠的熱導率最低可至0.01 W/m·K^-1，是靜止空氣的0.4倍^［13］。氣凝膠材料中的熱量傳遞主要包括固相傳導、氣相傳導和輻射傳導三種形式。在不考慮固態(tài)傳熱和氣態(tài)傳熱耦合效應的前提下，氣凝膠的熱導率主要是三種傳熱方式熱導率的相加。從固相傳導來看，普通隔熱材料由于傳熱路徑短、顆粒間接觸面積較大，導致固相熱傳導系數(shù)較大；而氣凝膠隔熱材料其熱量傳遞是經(jīng)過無限長路徑，且顆粒間接觸面積較小，使得固相熱傳導系數(shù)較小。從氣相傳導來看，熱傳遞是通過氣體分子間碰撞而產(chǎn)生的，由于氣凝膠的孔徑尺寸小于氣體分子的平均自由程，氣體間幾乎無熱傳遞，因此氣相熱傳導系數(shù)也明顯小于一般大孔隔熱材料，這兩方面因素決定了氣凝膠的隔熱能力明顯優(yōu)于普通隔熱材料。此外，氣凝膠隔熱材料在高溫狀態(tài)下，輻射傳導方式將在傳熱中占據(jù)重要地位，向其中加入紅外遮光劑，能夠?qū)t外輻射進行吸收、反射和散射，從而達到進一步降低熱導率的目的。

近年來，隨著空天技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，飛行器的飛行速度越來越快，飛行器由于在大氣層中高速長時航行，其迎風面和機翼前緣等部位受到嚴重的氣動加熱作用，這些部位的熱環(huán)境尤為惡劣。據(jù)報道，當飛行器以Ma=8的速度在大氣層中飛行時，其頭錐處和機翼前緣的溫度最高分別可達1793 ℃和1455 ℃^［14］。為使飛行器內(nèi)部儀器設(shè)備能在正常溫度范圍內(nèi)工作，迫切需要采用高效的熱防護系統(tǒng)，這也對隔熱材料的耐高溫性能提出了更高的要求。

二氧化硅氣凝膠是目前研究最成熟、應用最廣泛的一類高性能氣凝膠隔熱材料，然而，二氧化硅氣凝膠的短時使用溫度最高也不會超過700~800 ℃。這是因為組成二氧化硅氣凝膠的顆粒和孔隙結(jié)構(gòu)的尺度范圍在納米層次，在高溫下其表面活性較高，易發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象，顆粒會變大，孔結(jié)構(gòu)會消失，從而導致氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，宏觀尺寸發(fā)生嚴重收縮，極大降低其隔熱性能。氣凝膠的耐溫性不足問題已成為阻礙其在高溫隔熱領(lǐng)域?qū)嶋H應用的主要瓶頸之一^［15］。航天特種材料及工藝技術(shù)研究所在耐溫650 ℃的中溫型二氧化硅氣凝膠的基礎(chǔ)上，從納米結(jié)構(gòu)調(diào)控角度出發(fā)，研制出最高使用溫度為1200 ℃的高溫型氣凝膠材料。一方面，通過篩選合適的硅源前驅(qū)體，在溶膠凝膠階段進行微觀結(jié)構(gòu)控制，降低二氧化硅顆粒的表面能，初步提高材料耐溫性；另一方面，通過包括改進老化工藝和疏水工藝等后處理操作，增強凝膠骨架網(wǎng)絡(luò)強度，進一步提升材料的耐溫性（圖3）。所制備的二氧化硅氣凝膠經(jīng)過1200 ℃/0.5 h的高溫考核后，其線收縮率僅為3%，將二氧化硅氣凝膠的耐溫性大幅提高至1200 ℃。目前該型氣凝膠已實現(xiàn)批量化生產(chǎn)和工程化應用，作為耐高溫高性能隔熱材料，在我國多型號飛行器的外隔熱層以及運載火箭發(fā)動機隔熱層等中得到廣泛應用。

圖3   耐1200 ℃二氧化硅氣凝膠透射電鏡圖

Fig.3   Transmission electron microscope image of silica aerogel resistant to 1200 ℃

二氧化硅氣凝膠由于材料本身的耐溫性限制，其在1200~1300 ℃高溫下將發(fā)生無定形態(tài)到石英態(tài)的晶型轉(zhuǎn)變，因此很難進一步提高二氧化硅氣凝膠的耐受溫度。相比于二氧化硅氣凝膠，氧化鋁氣凝膠良好的結(jié)晶性質(zhì)和獨特的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其在高溫下表現(xiàn)出更高的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，有望解決飛行器在有氧環(huán)境下更高溫隔熱的需求難題。然而，當前通過溶膠凝膠法制備的氧化鋁氣凝膠其初始狀態(tài)一般為勃姆石相，隨著溫度的升高將發(fā)生多次晶型轉(zhuǎn)變，如何進一步提高氧化鋁氣凝膠的高溫穩(wěn)定性已成為研究熱點。不同于以往研究者們采用氧化鋁納米顆粒作為氣凝膠材料的構(gòu)筑基元的方式，航天特種材料及工藝技術(shù)研究所獨辟蹊徑，設(shè)計和制備了一種氧化鋁納米棒，并通過對氧化鋁納米棒與二氧化硅納米顆粒的組裝和退火過程進行控制，實現(xiàn)了耐1400 ℃氣凝膠材料的制備，如圖4所示^［16］。這一方面歸功于納米棒一維單元克服了傳統(tǒng)珍珠項鏈狀氣凝膠骨架的弱點，解決了高表面能帶來的燒結(jié)問題；另一方面則得益于納米棒的自支撐作用，熱處理過程使合適的硅鋁組分在高溫下生成了耐更高溫度的莫來石相。通過纖維增強后的復合材料耐溫性可高達1500 ℃，在石英燈1500 ℃單面考核1800 s下，其Z向的線收縮僅為2.33%。該項工作為空天領(lǐng)域中超高溫下使用的高性能隔熱氣凝膠材料的開發(fā)提供了一個新的視角。

圖4   耐1400℃氧化鋁納米棒氣凝膠

Fig.4   1400℃-resistant alumina nanorod aerogel

3.2 超低密度氣凝膠

氣凝膠作為一類獨特的多孔材料，具有極高的孔隙率（可達99.8%以上），其內(nèi)部幾乎完全被空氣占據(jù)，是目前已知密度最小的固態(tài)物質(zhì)。氣凝膠的低密度特性奠定了其在空天領(lǐng)域的巨大應用潛力，當未來航天探測器走向距離更遠的深空時，通過減輕隔熱保溫材料的質(zhì)量來實現(xiàn)探測器減重的目標將顯得尤為重要。此外，低密度氣凝膠的固相體積占比非常低，極大降低了固相熱導率，從而實現(xiàn)材料隔熱性能的提升。因此，低密度控制技術(shù)已成為空天領(lǐng)域氣凝膠的關(guān)鍵技術(shù)之一。

低密度二氧化硅氣凝膠的制備方法主要有一步法和兩步法。一步法中，利用包括水玻璃、有機硅烷和硅酯等硅源在酸或堿的催化下發(fā)生溶膠凝膠反應，并結(jié)合超臨界干燥制備得到，氣凝膠的密度往往最低只能達到0.06 g/cm³。針對二氧化硅氣凝膠的密度無法進一步降低的問題，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室發(fā)展了兩步法制備密度0.003~0.08 g/cm³的超輕質(zhì)二氧化硅氣凝膠^［17］，他們利用正硅酸乙酯在強酸條件下發(fā)生部分水解反應，生成高反應活性的半水解-半縮聚硅前驅(qū)體，經(jīng)大量溶劑稀釋后，在弱堿環(huán)境下快速形成由二氧化硅納米顆粒相互連接形成的纖維狀多孔結(jié)構(gòu)，經(jīng)超臨界干燥后制備得到的二氧化硅氣凝膠密度僅為0.003 g/cm³，是目前二氧化硅氣凝膠最低密度的記錄。

航天特種材料及工藝技術(shù)研究所基于兩步法制備低密度氣凝膠的策略，通過優(yōu)化反應參數(shù)、探索結(jié)構(gòu)性能關(guān)系，系統(tǒng)地研究了反應液原料配比對最終低密度氣凝膠性能的影響，發(fā)現(xiàn)控制老化過程和超臨界干燥過程中的尺寸收縮是制備超低密度氣凝膠的關(guān)鍵，最終制備的二氧化硅氣凝膠密度小于0.005 g/cm³，孔徑集中在7 nm左右，顆粒尺寸在6 nm左右，大幅改善了氣凝膠的顆粒尺寸、孔洞大小及均勻性等問題，如圖5所示。此外，為了解決低密度氣凝膠強度脆弱無法使用的難題，制備出由有機泡沫復合增強的超低密度二氧化硅氣凝膠，其密度僅為0.022 g/cm³，該材料在真空環(huán)境、室溫條件下導熱系數(shù)僅為0.0067 W/m·K^-1，這種防寒保溫結(jié)構(gòu)材料有力保障了我國某深空探測任務(wù)^［18］。

圖5   不同類型超低密度氣凝膠材料

Fig.5   Different types of ultra-low density aerogel materials

相比于無機氣凝膠的脆性，有機氣凝膠和碳基氣凝膠具有力學性能相對較好的優(yōu)勢，航天特種材料及工藝技術(shù)研究所通過結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能優(yōu)化，制備出多種其它類型的超低密度氣凝膠材料?；诰哂新?lián)苯結(jié)構(gòu)的二酐和二胺發(fā)生溶膠凝膠反應制備出了低密度柔性聚酰亞胺氣凝膠，密度最低可至0.033 g/cm³，室溫大氣環(huán)境下熱導率為0.026 W/m·K^-1，斷裂應變可達21.7%，大幅提高了氣凝膠材料的柔韌性，可實現(xiàn)大角度彎折，該材料在空間飛行器隔熱系統(tǒng)、超聲速充氣氣動減速器的熱防護系統(tǒng)、宇航服隔熱等領(lǐng)域都具有廣闊的應用前景^［19］。以酚醛反應的溶膠-凝膠、超臨界干燥及高溫裂解的技術(shù)流程，成功制備出了密度最低可至0.0093 g/cm³高導電性石墨烯摻雜的碳氣凝膠粉體材料^［20］。最近，航天特種材料及工藝技術(shù)研究所以大片徑單層氧化石墨烯作為構(gòu)筑基元，通過氣泡模板法結(jié)合冷凍干燥和高溫退火策略，制備出了密度最低僅為0.0012 g/cm³的高彈性超輕質(zhì)石墨烯氣凝膠，該氣凝膠在90%壓縮形變下的回彈能力仍能達到100%，作為一種超彈性超輕質(zhì)氣凝膠隔熱材料在空天飛行器中具有較好的應用前景。

3.3 透波氣凝膠

天線罩、天線窗是航天器的重要功能部件，需要頻率為0.3~300 GHz的寬頻帶電磁波能有效透過，以確保飛行器在惡劣工作環(huán)境下能正常開展通訊、制導、遙測、引爆等關(guān)鍵功能，因此廣泛用于導彈、運載火箭、飛船及返回式衛(wèi)星等各式空天飛行器中^［21］。在大氣層中高速航行的飛行器，其天線罩將面臨更惡劣的環(huán)境，表面溫度往往在1000 ℃以上，而且承受超高溫度的時間也越來越久。為此，美國陸軍戰(zhàn)略防御司令部啟動了高超聲速導彈天線罩研究計劃，著重尋找兼具耐高溫、高效隔熱、高溫透波以及超輕質(zhì)等眾多功能的天線罩材料。

在這方面，氣凝膠材料廣為人知的低熱導率、低介電常數(shù)、低密度、高透波、耐高溫等優(yōu)點，使其成為一類新型的高溫天線透波材料，在空天領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。透波材料是指能透過電磁波而且?guī)缀醪桓淖冸姶挪芰康刃再|(zhì)的材料，衡量材料透波性能最主要的指標是介電常數(shù)和損耗角正切值。一般而言，介電常數(shù)和損耗角正切值越小，材料的介電性能越好，可以獲得更高的透波率。國內(nèi)外多個研究團隊已開展二氧化硅氣凝膠透波性能的研究，發(fā)現(xiàn)其介電性能受氣凝膠的表觀密度、表面化學性質(zhì)及雜質(zhì)含量影響較大，所制備氣凝膠材料的介電常數(shù)一般在1.2~1.6之間，耗損角正切值在0.0027~0.0048之間。然而，二氧化硅氣凝膠的高孔隙率、低密度特性使材料的力學性能較差，嚴重制約了氣凝膠透波材料在透波領(lǐng)域的實際應用進程。針對此問題，有研究者以正硅酸乙酯為硅源，通過制備纖維增強氣凝膠復合材料來提高力學強度，但往往又造成高溫穩(wěn)定性、隔熱性能及透波性可能不能滿足應用需求的情況。

航天特種材料及工藝技術(shù)研究所將透波型石英纖維增強體與高性能硅溶膠進行復合，在歷經(jīng)溶膠凝膠、超臨界干燥及防潮處理工藝后，成功制備出耐高溫透波氣凝膠隔熱復合材料^［22］，其密度為0.3 g/cm³左右，耐溫溫度≥1100 ℃，室溫熱導率≤0.02 W/m·K^-1，介電常數(shù)在1.28~1.39可調(diào)，損耗角正切≤0.005，其介電性能在1 000 ℃以下幾乎不隨溫度變化而變化，如圖6所示，1000 ℃下線膨脹系數(shù)為-11.13×10^-6/K，1000 ℃下拉伸強度為1.82 MPa。利用這種耐高溫且高溫透波性能優(yōu)良的氣凝膠材料制備的天線罩隔熱罩，其綜合性能優(yōu)異，可以滿足高馬赫數(shù)飛行器在惡劣熱環(huán)境中飛行的隔熱透波要求。

圖6   耐1200℃高溫透波氣凝膠

Fig.6   1200℃ high temperature-resistant wave-transmitting aerogel

4.1 隔熱應用

隔熱是氣凝膠材料最突出的功能特性和最廣泛的應用場景需求，與一般隔熱材料相比，氣凝膠材料普遍適用于航空、臨近空間、航天、深空等多空域下飛行器的隔熱。首先，氣凝膠是目前熱導率最低的固體材料，常溫常壓下熱導率可低至0.01 W/m·K^-1，真空環(huán)境下為0.004 W/m·K^-1，甚至更低；其次，氣凝膠材料不僅適用于月球、近地軌道、臨近空間平流層等高真空環(huán)境下隔熱，也適用于火星、土星、臨近空間中間層等低真空環(huán)境下隔熱，而常規(guī)的多層隔熱材料在后者環(huán)境中的隔熱將失效；此外，氣凝膠材料的耐溫范圍非常寬（40~2100 K），能滿足探測器和飛行器在不同復雜空域環(huán)境中對超高溫、超低溫、高交變溫度以及寬溫域隔熱的需求，如圖7所示^［23］；最后，氣凝膠材料的低密度特性，使得其為新一代導彈武器、未來深空/超深空探測以及高載荷載人探測任務(wù)中飛行器提供了最佳的輕量化防隔熱材料方案。

圖7   耐不同溫度氣凝膠材料的隔熱應用示意圖

Fig.7   Schematic diagram of thermal insulation application of aerogel materials resistant to different temperatures

美國NASA率先將氣凝膠作為高效隔熱材料用在一系列火星探測器的多個部位上^［24］。1996年，美國索加伊納號火星車上，利用低密度二氧化硅氣凝膠作為電子恒溫箱的隔熱保溫材料，保護火星車搭載的α粒子X射線光譜儀免受火星夜晚極度寒冷環(huán)境（-120℃）的損害，如圖8（a）-（b）所示。2003年，在美國機遇號和勇氣號火星車上，對上述透明的二氧化硅氣凝膠摻雜了0.4%的石墨降低熱輻射，進一步提高了隔熱性能。2011年NASA發(fā)射的好奇號火星車由于運行所需電量大幅提升，因此采用的是放射性同位素熱電發(fā)生器（俗稱核電池）代替太陽能提供足夠的電能，其熱交換器的熱端溫度最高可達1000 ℃，常規(guī)隔熱材料會失效，利用摻雜石墨的二氧化硅氣凝膠材料作為熱交換器熱邊和冷邊的高效隔離熱障，極大地提高了核電池熱能使用效率和供能穩(wěn)定性。以上基于氣凝膠的熱電隔熱技術(shù)，在2020年發(fā)射的毅力號火星車核電池上也得到了應用。

圖8   氣凝膠隔熱材料在美國火星探測任務(wù)中的應用

Fig.8   Application of aerogel thermal insulation material in the US Mars exploration mission

為應對不久的將來以火星載人登陸為代表的深空探測任務(wù)中對隔熱的新需求，美國NASA也嘗試利用氣凝膠提出解決方案。載人火星探測器在EDL階段需要快速完成高速氣動減速以便安全著陸，減速器的充氣展開柔性結(jié)構(gòu)外表面需要采用柔性熱防護系統(tǒng)保護，如圖8（c）-（d）所示。他們利用最高可耐受1100 ℃的纖維復合二氧化硅氣凝膠和分解溫度大于560 ℃的低聚倍半硅氧烷交聯(lián)型聚酰亞胺氣凝膠組成的柔性隔熱材料組合，使得飛行器在驗證實驗中經(jīng)受住了再入速度高達3 km/s、最高熱流密度接近20 W/cm²、最高熱流持續(xù)時間長達90 s、最高駐點溫度1260 ℃的極端氣動加熱環(huán)境考核^［25］。此外，為了宇航員能在火星上安全執(zhí)行出艙活動，所使用的航天服在火星空間環(huán)境下，要具備優(yōu)異的熱防護效果，在NASA約翰遜航天中心支持下，Aspen公司研制出纖維增強的二氧化硅氣凝膠柔性復合纖維材料，其在火星低真空環(huán)境下熱導率為0.005 W/m·K^-1，僅僅是多層隔熱結(jié)構(gòu)的五分之一，這種高效隔熱的氣凝膠材料有望用于未來航天服的柔性熱防護結(jié)構(gòu)^［26］。

除了將氣凝膠用于深空探測器的隔熱，NASA還將氣凝膠用于航天飛機和運載火箭上多個部位的隔熱。NASA肯尼迪太空中心將Cabot公司商品化的氣凝膠顆粒材料用在航天飛機、運載火箭、空天飛行器的液氫低溫推進劑儲罐，展示了氣凝膠在-147 ℃超低溫環(huán)境下優(yōu)異的保溫性能，不僅解決了由冷凝環(huán)境空氣造成的發(fā)射安全風險的問題，而且為航天飛機減重高達230 kg^［27］。NASA艾姆斯研究中心還將氣凝膠前驅(qū)體滲入到陶瓷纖維瓦的縫隙中，制備出氣凝膠隔熱瓦復合剛性隔熱材料，將航天飛機所用的常規(guī)隔熱瓦的隔熱性能提高了1~2個數(shù)量級，這種新型隔熱材料可用于未來可重復使用航天器的燃料箱隔熱層中。

作為我國最早進行功能化氣凝膠研制和工程化應用的主要單位之一，航天特種材料及工藝技術(shù)研究所已研制出了包括中溫型、高溫型、高溫透波型和超高溫型在內(nèi)的系列牌號二氧化硅氣凝膠材料，這一系列高性能氣凝膠隔熱材料已用于我國數(shù)十型飛行器中。在空間隔熱領(lǐng)域，針對我國空天探測中飛行器和探測器對輕量化、耐惡劣空間環(huán)境的防隔熱需求，航天特種材料及工藝技術(shù)研究所開發(fā)了系列輕質(zhì)高性能隔熱材料，承擔了我國空間探測工程的多項配套任務(wù)；針對貨運飛船低溫軌道精確控溫需求，研制出纖維增強氣凝膠和氣凝膠真空隔熱板，如圖9（a）所示；針對運載火箭發(fā)動機燃氣系統(tǒng)、隔離氣瓶和氧渦輪的高溫隔熱需求，研制出高性能納米氣凝膠隔熱復合材料；針對月球探測器某關(guān)鍵電子器件的長時隔熱需求，研制出長服役壽命的氣凝膠隔熱組件；針對火星探測著陸巡視器需適應火星高低溫交變環(huán)境隔熱需求，研制出超低密度氣凝膠復合隔熱板，如圖9（b）所示。相關(guān)氣凝膠產(chǎn)品在歷次任務(wù)中質(zhì)量穩(wěn)定可靠，成功保障了載人航天、探月工程和探火工程等一系列國家重大空間任務(wù)取得圓滿成功，并將繼續(xù)在我國空間站建設(shè)、未來深空探測任務(wù)中做出更大貢獻。

圖9   氣凝膠隔熱材料在我國空天探測任務(wù)中的應用

Fig.9   Application of aerogel thermal insulation materials in Chinese space exploration missions

4.2 粒子捕獲應用

隔熱系統(tǒng)是氣凝膠在飛行器中最成熟的應用領(lǐng)域，對空間粒子捕獲是氣凝膠在探測器中的另外一個廣為人知的應用。宇宙塵埃為太陽系、行星的形成和演化甚至生命的起源研究提供了最原始樣本，將這些粒子無損捕獲并取樣返回進行分析具有重大的天文價值^［28］。高速運動的宇宙塵埃（5~80 km/s）與常規(guī)材料發(fā)生硬碰撞后會灰飛煙滅，而低密度透明氣凝膠材料一方面由于其低密度多孔特性有利于高速粒子軟著陸而實現(xiàn)完整捕獲，另一方面由于其透明特性有助于被捕獲粒子的定位和移取以便用于研究分析，已被證實是宇宙塵埃捕獲的最佳介質(zhì)材料，氣凝膠的低密度和透明兩個特性在此領(lǐng)域的應用缺一不可。

氣凝膠材料制成的捕獲器在20世紀80年代歷經(jīng)多次STS航天飛機搭載實驗的基礎(chǔ)上，美國NASA于1995年在和平號空間站上搭載密度為0.02 g/cm³的透明氣凝膠，在近地軌道上捕獲高速運動的軌道碎片粒子^［29］。此后，NASA于1999年啟動了著名的星塵計劃，利用0.005~0.05 g/cm³的梯度密度透明氣凝膠捕獲到大量彗星及行星塵埃，如圖10所示，基于對塵埃樣品的分析，取得了大量顛覆性天文新認識，為此國際權(quán)威雜志《科學》出版了專輯進行報道^［30］。2011年至今，在NASA的支持下，加州理工學院的噴氣推進實驗室開始研究利用低密度氧化鋁、酚醛、聚酰亞胺等非硅系透明氣凝膠去捕獲火星或者其它行星塵埃樣品^［31］。美國2019年初啟動了火星勘測樣本收集計劃，白宮批準該計劃2020年度經(jīng)費預算為1.09億美元。

圖10   氣凝膠材料在美國星塵計劃中用于高速粒子捕獲

Fig.10   Aerogel materials for high-speed particle capture in US Stardust program

除了美國，歐洲航天局也曾將密度為0.05 g/cm³的二氧化硅氣凝膠捕獲裝置部署在EuReCa可回收衛(wèi)星中，收集到了12顆來自微流星體的粒子。2001年，日本宇航開發(fā)機構(gòu)通過將密度為0.03 g/cm³的二氧化硅氣凝膠塊體組成的塵埃收集器，搭載在國際空間站上進行微粒子捕獲試驗。2015年，日本宇航開發(fā)機構(gòu)啟動了蒲公英計劃，基于所制備的內(nèi)層密度為0.01 g/cm³、外層密度為0.03 g/cm³的雙層二氧化硅氣凝膠板塊來采集漂浮在宇宙空間中的塵埃顆粒，探尋外星球中是否有生命物質(zhì)^［32］。2013年，法國發(fā)展研究院和國家科學研究院利用密度為0.09 g/cm³的氣凝膠捕獲器搭載在國際空間站上收集太空粒子碎片，較大的密度使得捕獲器的力學強度明顯增強^［33］。雖然我國目前還未開展利用氣凝膠材料進行宇宙塵埃捕獲的空間探測實驗，但是隨著可搭載捕獲裝置的空間站平臺的建設(shè)，相關(guān)研究迎來了重大發(fā)展機遇。

裴雨辰，張晚林，李文靜，等. 空天領(lǐng)域氣凝膠研究與應用進展［J］. 空天技術(shù)，2022（1）：64-73.