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(dāng)前研究最成熟、應(yīng)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(diǎn)及功能特性對(duì)其在空天領(lǐng)域的應(yīng)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(gè)重要階段，如圖1所示^［11］。

圖1   氣凝膠制備過(guò)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(guò)溶膠-凝膠來(lái)實(shí)現(xiàn)的，涉及復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程，主要包括硅源的水解和縮聚兩類反應(yīng)。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(yīng)，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(yīng)，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(yīng)的活性較高的-OH，會(huì)使得溶膠顆粒之間進(jìn)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(guò)程已經(jīng)完全結(jié)束，當(dāng)達(dá)到凝膠點(diǎn)時(shí)，體系中前驅(qū)體或預(yù)聚物的水解-聚合反應(yīng)還遠(yuǎn)沒(méi)有停止。在凝膠形成初期，凝膠網(wǎng)絡(luò)的骨架強(qiáng)度非常低，在后期干燥的過(guò)程中容易發(fā)生收縮，甚至造成裂縫，不利于得到尺寸無(wú)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(qiáng)度，需要在凝膠形成后，使溶膠中的膠體粒子和小團(tuán)簇繼續(xù)發(fā)生縮聚反應(yīng)，保證進(jìn)一步聚集粘連，從而擴(kuò)展到整個(gè)凝膠網(wǎng)絡(luò)，該過(guò)程即為老化。

干燥是二氧化硅氣凝膠在制備過(guò)程中另外一個(gè)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(jī)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(guò)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(guò)程中，凝膠產(chǎn)生開裂主要是由于毛細(xì)管壓力的作用，毛細(xì)管壓力來(lái)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(huì)消失，凝膠中的毛細(xì)管壓力也不復(fù)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(jí)粒子，由硅源縮聚而形成的密實(shí)無(wú)定形二氧化硅初次粒子（1～2 nm）聚集成球形的次級(jí)粒子（5～10 nm），次級(jí)粒子再通過(guò)相互連接形成珍珠項(xiàng)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(yīng)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(guò)程是密切相關(guān)的，溶膠凝膠、老化、干燥等階段對(duì)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(diǎn)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(wú)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(dǎo)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(dǎo)率約為0.02 W/m·K^-1，抽真空時(shí)熱導(dǎo)率約為0.005 W/m·K^-1。當(dāng)前，二氧化硅氣凝膠的熱導(dǎo)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(dǎo)、氣相傳導(dǎo)和輻射傳導(dǎo)三種形式。在不考慮固態(tài)傳熱和氣態(tài)傳熱耦合效應(yīng)的前提下，氣凝膠的熱導(dǎo)率主要是三種傳熱方式熱導(dǎo)率的相加。從固相傳導(dǎo)來(lái)看，普通隔熱材料由于傳熱路徑短、顆粒間接觸面積較大，導(dǎo)致固相熱傳導(dǎo)系數(shù)較大；而氣凝膠隔熱材料其熱量傳遞是經(jīng)過(guò)無(wú)限長(zhǎng)路徑，且顆粒間接觸面積較小，使得固相熱傳導(dǎo)系數(shù)較小。從氣相傳導(dǎo)來(lái)看，熱傳遞是通過(guò)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(wú)熱傳遞，因此氣相熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)行吸收、反射和散射，從而達(dá)到進(jìn)一步降低熱導(dǎo)率的目的。

近年來(lái)，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(lái)越快，飛行器由于在大氣層中高速長(zhǎng)時(shí)航行，其迎風(fēng)面和機(jī)翼前緣等部位受到嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱作用，這些部位的熱環(huán)境尤為惡劣。據(jù)報(bào)道，當(dāng)飛行器以Ma=8的速度在大氣層中飛行時(shí)，其頭錐處和機(jī)翼前緣的溫度最高分別可達(dá)1793 ℃和1455 ℃^［14］。為使飛行器內(nèi)部?jī)x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(hù)系統(tǒng)，這也對(duì)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(yīng)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(shí)使用溫度最高也不會(huì)超過(guò)700~800 ℃。這是因?yàn)榻M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(huì)變大，孔結(jié)構(gòu)會(huì)消失，從而導(dǎo)致氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，宏觀尺寸發(fā)生嚴(yán)重收縮，極大降低其隔熱性能。氣凝膠的耐溫性不足問(wèn)題已成為阻礙其在高溫隔熱領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)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(guò)篩選合適的硅源前驅(qū)體，在溶膠凝膠階段進(jìn)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(guò)包括改進(jìn)老化工藝和疏水工藝等后處理操作，增強(qiáng)凝膠骨架網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度，進(jìn)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(guò)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(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)和工程化應(yīng)用，作為耐高溫高性能隔熱材料，在我國(guó)多型號(hào)飛行器的外隔熱層以及運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱層等中得到廣泛應(yīng)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(wú)定形態(tài)到石英態(tài)的晶型轉(zhuǎn)變，因此很難進(jìn)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(dú)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(xué)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(dāng)前通過(guò)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(jìn)一步提高氧化鋁氣凝膠的高溫穩(wěn)定性已成為研究熱點(diǎn)。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(dú)辟蹊徑，設(shè)計(jì)和制備了一種氧化鋁納米棒，并通過(guò)對(duì)氧化鋁納米棒與二氧化硅納米顆粒的組裝和退火過(guò)程進(jìn)行控制，實(shí)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(xiàng)鏈狀氣凝膠骨架的弱點(diǎn)，解決了高表面能帶來(lái)的燒結(jié)問(wèn)題；另一方面則得益于納米棒的自支撐作用，熱處理過(guò)程使合適的硅鋁組分在高溫下生成了耐更高溫度的莫來(lái)石相。通過(guò)纖維增強(qiáng)后的復(fù)合材料耐溫性可高達(dá)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(xiàng)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(gè)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(dú)特的多孔材料，具有極高的孔隙率（可達(dá)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(yīng)用潛力，當(dāng)未來(lái)航天探測(cè)器走向距離更遠(yuǎn)的深空時(shí)，通過(guò)減輕隔熱保溫材料的質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)器減重的目標(biāo)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(dǎo)率，從而實(shí)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(jī)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(yīng)，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(dá)到0.06 g/cm³。針對(duì)二氧化硅氣凝膠的密度無(wú)法進(jìn)一步降低的問(wèn)題，美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(qiáng)酸條件下發(fā)生部分水解反應(yīng)，生成高反應(yīng)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(guò)優(yōu)化反應(yīng)參數(shù)、探索結(jié)構(gòu)性能關(guān)系，系統(tǒng)地研究了反應(yīng)液原料配比對(duì)最終低密度氣凝膠性能的影響，發(fā)現(xiàn)控制老化過(guò)程和超臨界干燥過(guò)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(wèn)題，如圖5所示。此外，為了解決低密度氣凝膠強(qiáng)度脆弱無(wú)法使用的難題，制備出由有機(jī)泡沫復(fù)合增強(qiáng)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(dǎo)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(guó)某深空探測(cè)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(wú)機(jī)氣凝膠的脆性，有機(jī)氣凝膠和碳基氣凝膠具有力學(xué)性能相對(duì)較好的優(yōu)勢(shì)，航天特種材料及工藝技術(shù)研究所通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)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(dǎo)率為0.026 W/m·K^-1，斷裂應(yīng)變可達(dá)21.7%，大幅提高了氣凝膠材料的柔韌性，可實(shí)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(dòng)減速器的熱防護(hù)系統(tǒng)、宇航服隔熱等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景^［19］。以酚醛反應(yīng)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(dǎo)電性石墨烯摻雜的碳?xì)饽z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(guò)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(dá)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(yīng)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(guò)，以確保飛行器在惡劣工作環(huán)境下能正常開展通訊、制導(dǎo)、遙測(cè)、引爆等關(guān)鍵功能，因此廣泛用于導(dǎo)彈、運(yùn)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(shí)間也越來(lái)越久。為此，美國(guó)陸軍戰(zhàn)略防御司令部啟動(dòng)了高超聲速導(dǎo)彈天線罩研究計(jì)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(dǎo)率、低介電常數(shù)、低密度、高透波、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用前景。透波材料是指能透過(guò)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(biāo)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(guó)內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)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(xué)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(xué)性能較差，嚴(yán)重制約了氣凝膠透波材料在透波領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。針對(duì)此問(wèn)題，有研究者以正硅酸乙酯為硅源，通過(guò)制備纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料來(lái)提高力學(xué)強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)體與高性能硅溶膠進(jìn)行復(fù)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(fù)合材料^［22］，其密度為0.3 g/cm³左右，耐溫溫度≥1100 ℃，室溫?zé)釋?dǎo)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(qiáng)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(yīng)用

隔熱是氣凝膠材料最突出的功能特性和最廣泛的應(yīng)用場(chǎng)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(dǎo)率最低的固體材料，常溫常壓下熱導(dǎo)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(cè)器和飛行器在不同復(fù)雜空域環(huán)境中對(duì)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(dǎo)彈武器、未來(lái)深空/超深空探測(cè)以及高載荷載人探測(cè)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(yīng)用示意圖

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

美國(guó)NASA率先將氣凝膠作為高效隔熱材料用在一系列火星探測(cè)器的多個(gè)部位上^［24］。1996年，美國(guó)索加伊納號(hào)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(hù)火星車搭載的α粒子X(jué)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(guó)機(jī)遇號(hào)和勇氣號(hào)火星車上，對(duì)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(jìn)一步提高了隔熱性能。2011年NASA發(fā)射的好奇號(hào)火星車由于運(yùn)行所需電量大幅提升，因此采用的是放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（俗稱核電池）代替太陽(yáng)能提供足夠的電能，其熱交換器的熱端溫度最高可達(dá)1000 ℃，常規(guī)隔熱材料會(huì)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?zé)崮苁褂眯屎凸┠芊€(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(hào)火星車核電池上也得到了應(yīng)用。

圖8   氣凝膠隔熱材料在美國(guó)火星探測(cè)任務(wù)中的應(yīng)用

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

為應(yīng)對(duì)不久的將來(lái)以火星載人登陸為代表的深空探測(cè)任務(wù)中對(duì)隔熱的新需求，美國(guó)NASA也嘗試?yán)脷饽z提出解決方案。載人火星探測(cè)器在EDL階段需要快速完成高速氣動(dòng)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(hù)系統(tǒng)保護(hù)，如圖8（c）-（d）所示。他們利用最高可耐受1100 ℃的纖維復(fù)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)中經(jīng)受住了再入速度高達(dá)3 km/s、最高熱流密度接近20 W/cm²、最高熱流持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)90 s、最高駐點(diǎn)溫度1260 ℃的極端氣動(dòng)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(dòng)，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(hù)效果，在NASA約翰遜航天中心支持下，Aspen公司研制出纖維增強(qiáng)的二氧化硅氣凝膠柔性復(fù)合纖維材料，其在火星低真空環(huán)境下熱導(dǎo)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(lái)航天服的柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)^［26］。

除了將氣凝膠用于深空探測(cè)器的隔熱，NASA還將氣凝膠用于航天飛機(jī)和運(yùn)載火箭上多個(gè)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(jī)、運(yùn)載火箭、空天飛行器的液氫低溫推進(jìn)劑儲(chǔ)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(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題，而且為航天飛機(jī)減重高達(dá)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(fù)合剛性隔熱材料，將航天飛機(jī)所用的常規(guī)隔熱瓦的隔熱性能提高了1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，這種新型隔熱材料可用于未來(lái)可重復(fù)使用航天器的燃料箱隔熱層中。

作為我國(guó)最早進(jìn)行功能化氣凝膠研制和工程化應(yīng)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(hào)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(guó)數(shù)十型飛行器中。在空間隔熱領(lǐng)域，針對(duì)我國(guó)空天探測(cè)中飛行器和探測(cè)器對(duì)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(dān)了我國(guó)空間探測(cè)工程的多項(xiàng)配套任務(wù)；針對(duì)貨運(yùn)飛船低溫軌道精確控溫需求，研制出纖維增強(qiáng)氣凝膠和氣凝膠真空隔熱板，如圖9（a）所示；針對(duì)運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀到y(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(fù)合材料；針對(duì)月球探測(cè)器某關(guān)鍵電子器件的長(zhǎng)時(shí)隔熱需求，研制出長(zhǎng)服役壽命的氣凝膠隔熱組件；針對(duì)火星探測(cè)著陸巡視器需適應(yīng)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(fù)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(guó)家重大空間任務(wù)取得圓滿成功，并將繼續(xù)在我國(guó)空間站建設(shè)、未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)中做出更大貢獻(xiàn)。

圖9   氣凝膠隔熱材料在我國(guó)空天探測(cè)任務(wù)中的應(yīng)用

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

4.2 粒子捕獲應(yīng)用

隔熱系統(tǒng)是氣凝膠在飛行器中最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)空間粒子捕獲是氣凝膠在探測(cè)器中的另外一個(gè)廣為人知的應(yīng)用。宇宙塵埃為太陽(yáng)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(wú)損捕獲并取樣返回進(jìn)行分析具有重大的天文價(jià)值^［28］。高速運(yùn)動(dòng)的宇宙塵埃（5~80 km/s）與常規(guī)材料發(fā)生硬碰撞后會(huì)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(shí)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(shí)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(gè)特性在此領(lǐng)域的應(yīng)用缺一不可。

氣凝膠材料制成的捕獲器在20世紀(jì)80年代歷經(jīng)多次STS航天飛機(jī)搭載實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，美國(guó)NASA于1995年在和平號(hào)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(yùn)動(dòng)的軌道碎片粒子^［29］。此后，NASA于1999年啟動(dòng)了著名的星塵計(jì)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(duì)塵埃樣品的分析，取得了大量顛覆性天文新認(rèn)識(shí)，為此國(guó)際權(quán)威雜志《科學(xué)》出版了專輯進(jìn)行報(bào)道^［30］。2011年至今，在NASA的支持下，加州理工學(xué)院的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(guó)2019年初啟動(dòng)了火星勘測(cè)樣本收集計(jì)劃，白宮批準(zhǔn)該計(jì)劃2020年度經(jīng)費(fèi)預(yù)算為1.09億美元。

圖10   氣凝膠材料在美國(guó)星塵計(jì)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(guó)，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(lái)自微流星體的粒子。2001年，日本宇航開發(fā)機(jī)構(gòu)通過(guò)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(guó)際空間站上進(jìn)行微粒子捕獲試驗(yàn)。2015年，日本宇航開發(fā)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)了蒲公英計(jì)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(lái)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(guó)發(fā)展研究院和國(guó)家科學(xué)研究院利用密度為0.09 g/cm³的氣凝膠捕獲器搭載在國(guó)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(xué)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)^［33］。雖然我國(guó)目前還未開展利用氣凝膠材料進(jìn)行宇宙塵埃捕獲的空間探測(cè)實(shí)驗(yàn)，但是隨著可搭載捕獲裝置的空間站平臺(tái)的建設(shè)，相關(guān)研究迎來(lái)了重大發(fā)展機(jī)遇。

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