气凝胶，发轫于航天应用的最轻固体

来源：航空工业制造院。

气凝胶（aerogal），这种性能优异密度极小的材料自其诞生之日便引起了相当多的科学和工程界专业人士的关注，但限于制备难度高、成品率低、成本高等诸多因素，在很长的时间内未获得明显的技术突破，其研究和应用也受到很大的限制。直到1993年美国NASA在气凝胶制备中实现突破后，气凝胶的发展才焕发出新的活力，众多的科研机构、企业等纷纷跟进，研究方向迅速扩散，研究成果层出不穷，新型气凝胶的密度越来越低，使用材料越来越多，应用范围越来越广，也成为目前不可忽视的军、民用前沿材料之一。

气凝胶（aerogal），又称气溶胶，是一种由细小粒子聚集而成的三维网状结构的具有固态特征的胶态体系，气凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状。这种结构特点使得气凝胶非常轻，成为了目前世界上密度最小的几种固体之一。

图：典型的二氧化硅气凝胶，密度低于3毫克/立方厘米，可以由小草的叶片轻松支撑，且小草的叶片没有明显的变形。

那么气凝胶在航空航天领域有哪些应用？

还有哪些知识需要了解？

一起来看看吧！

1.气凝胶在航空航天领域的应用

气凝胶最早的应用是由美国宇航局（NASA）发展的，目前，在航空航天领域已经得到广泛应用。

（1）航空

气凝胶材料已在航空器中得到了应用，目前主要用于飞机有乘员的舱室舱壁和重要仪器的隔热防护，主要在美、英两国的飞机中应用，如，美国MKV-22“鱼鹰”可倾旋翼机舱壁隔热系统和红外系统的防护均使用到了气凝胶。又如，英国“美洲豹”战斗机改型的驾驶舱机舱隔热壁中即使用了气凝胶材料。

上图为美国MKV-22“鱼鹰”可倾旋翼机，下图为英国“美洲豹”战斗机

另外，随着气凝胶的快速发展和产业化，此类超轻、多用途材料现在已经具备了在航空发动机中的应用基础，经过一段时间的发展后，势必会在飞行器和航空发动机中获得应用。

以下6个或成为今后气凝胶有所作为的方向：

1.热防护和热管理系统

2.夹芯、夹层结构

3.防护结构

4.新型减震结构

5.天线用绝缘材料

6.轻质保暖飞行服

（2）航天

美国NASA已经用气凝胶制备了宇航员飞行隔热内里，该夹层厚度约为18mm，能够帮助宇航员忍受1400℃高温～-130℃超低温，并经过了多次天地往返的考验。气凝胶也被用于“火星探路者”、“火星漫步者”火星车，用于保护火星车中关键的电器元件和线路忍受-100℃的低温。气凝胶还被广泛用于飞船、卫星、探测器等的电路等部分的隔热保护中。此外，美国通过气凝胶填塞的回收手套实现了彗星尘的收集。

上为宇航服内里，中为火星漫步者火星车，下为收集了彗星星尘的气凝胶

2.世界上密度最小的固体

自发明以来，气凝胶的密度屡创新低，不断刷新密度最小的固体的世界记录。

图：浙江大学研制的全碳气凝胶，3立方厘米气凝胶仅靠花蕊即可支撑，且花蕊没有明显变形。

3.有些气凝胶能承受上千度高温

气凝胶材料突出的隔热性能，1英寸厚的气凝胶相当于20至30块普通玻璃的隔热性能，使其相对于内部网格组成材料更为耐热。用于高温隔热的气凝胶必须由耐高温的材料制备而成，目前，用于高温隔热的气凝胶多由二氧化硅、氧化铝、氧化锆、碳等制成，其中，二氧化硅气凝胶最高能承受1400℃的高温，已经具备了相当程度的耐高温性能。

图：综合显示气凝胶隔热和耐高温功能

4.密度虽小，却有超高的强度

气凝胶虽然密度小，但其具有粒子聚集而成的三维网状骨架结构，这些微骨架结构的尺寸在1～100nm范围内，由微观微骨架形成的气凝胶骨架在宏观尺度上表现出各项同性，并表现出较高的强度。这使得看似脆弱的气凝胶材料能够承担起自重数千倍的重量，并且不变形，表现出较好的刚性。

图：在一块气凝胶材料上放置一个砖块，而气凝胶仍能保持原状。

5.超强的吸附能力，外号“超级海绵”

气凝胶表面的微细孔极多，孔径普遍在50nm数量级，对于空气中、液体中的污染物具有极强的吸附能力，特别是对液体中的污染物有着超高的可吸附性能，因此被称为“超级海绵”，对气体、液体中的重金属具有较佳的吸附性能，是一种新型的环保产品。

图：用气凝胶产品建设的吸附性建筑

6.气凝胶的制备

由于气凝胶的应用性设计是基于它的性能，而性能由其结构来决定，因此在制备过程中微结构的调控是十分重要的。

气凝胶制备过程示意图

如图所示，气凝胶的制备过程主要包括三个重要步骤：

①溶液到溶胶过程：

纳米尺度的胶体粒子通过缩聚和水解反应在均匀的前驱物溶液中形成，或是通过催化剂来催化加速；

②溶胶到凝胶的过程（凝胶）：

溶胶粒子之间手拉手连接，分层装配进一个具有连续网状结构的湿凝胶；

③凝胶到气凝胶的过程（干燥）：

这个过程中湿凝胶中的溶剂被空气所替代，同时不会有严重的微结构破坏。

　　

气凝胶的制备技术主要包括溶胶—凝胶技术和干燥技术，前者主要是获得具有一定空间网络结构的含有少量催化剂的醇凝胶，后者则是去掉醇凝胶网络骨架中的溶剂得到最终的气凝胶材料。

7.气凝胶目前主要的产品形式

当前气凝胶的产品形态主要有毡、板、布、纸、颗粒、粉末和异形件等，其中，大部分的产品是具有保温功能的气凝胶产品。气凝胶颗粒、板、布、纸和异形件，都是气凝胶与相应产品形态的纤维复合所得的产品，基本的技术工艺是类似的，但是产品应用有着较大的区别。

  典型的硅气凝胶产品

   Tips

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