氣凝膠（aerogal），這種性能優異密度極小的材料自其誕生之日便引起了相當多的科學和工程界專業人士的關注，但限于制備難度高、成品率低、成本高等諸多因素，在很長的時間內未獲得明顯的技術突破，其研究和應用也受到很大的限制。直到1993年美國NASA在氣凝膠制備中實現突破后，氣凝膠的發展才煥發出新的活力，眾多的科研機構、企業等紛紛跟進，研究方向迅速擴散，研究成果層出不窮，新型氣凝膠的密度越來越低，使用材料越來越多，應用范圍越來越廣，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，是一種由細小粒子聚集而成的三維網狀結構的具有固態特征的膠態體系，氣凝膠的空間網狀結構中充滿的介質是氣體，外表呈固體狀。這種結構特點使得氣凝膠非常輕，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域有哪些應用？

    還有哪些知識需要了解？

    一起來看看吧！

    1.氣凝膠在航空航天領域的應用

    氣凝膠最早的應用是由美國宇航局（NASA）發展的，目前，在航空航天領域已經得到廣泛應用。

    （1）航空

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

上圖為美國MKV-22“魚鷹”可傾旋翼機，下圖為英國“美洲豹”戰斗機

    另外，隨著氣凝膠的快速發展和產業化，此類超輕、多用途材料現在已經具備了在航空發動機中的應用基礎，經過一段時間的發展后，勢必會在飛行器和航空發動機中獲得應用。

    以下6個或成為今后氣凝膠有所作為的方向：

    1.熱防護和熱管理系統；2.夾芯、夾層結構；3.防護結構；4.新型減震結構；5.天線用絕緣材料；6.輕質保暖飛行服

    （2）航天

    美國NASA已經用氣凝膠制備了宇航員飛行隔熱內里，該夾層厚度約為18mm，能夠幫助宇航員忍受1400℃高溫～-130℃超低溫，并經過了多次天地往返的考驗。氣凝膠也被用于“火星探路者”、“火星漫步者”火星車，用于保護火星車中關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、衛星、探測器等的電路等部分的隔熱保護中。此外，美國通過氣凝膠填塞的回收手套實現了彗星塵的收集。

    上為宇航服內里，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

    自發明以來，氣凝膠的密度屢創新低，不斷刷新密度最小的固體的世界記錄。

圖：浙江大學研制的全碳氣凝膠，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于20至30塊普通玻璃的隔熱性能，使其相對于內部網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，已經具備了相當程度的耐高溫性能。

圖：綜合顯示氣凝膠隔熱和耐高溫功能

    4.密度雖小，卻有超高的強度

    氣凝膠雖然密度小，但其具有粒子聚集而成的三維網狀骨架結構，這些微骨架結構的尺寸在1～100nm范圍內，由微觀微骨架形成的氣凝膠骨架在宏觀尺度上表現出各項同性，并表現出較高的強度。這使得看似脆弱的氣凝膠材料能夠承擔起自重數千倍的重量，并且不變形，表現出較好的剛性。

圖：在一塊氣凝膠材料上放置一個磚塊，而氣凝膠仍能保持原狀。

    5.超強的吸附能力，外號“超級海綿”

    氣凝膠表面的微細孔極多，孔徑普遍在50nm數量級，對于空氣中、液體中的污染物具有極強的吸附能力，特別是對液體中的污染物有著超高的可吸附性能，因此被稱為“超級海綿”，對氣體、液體中的重金屬具有較佳的吸附性能，是一種新型的環保產品。

圖：用氣凝膠產品建設的吸附性建筑

    6.氣凝膠的制備

    由于氣凝膠的應用性設計是基于它的性能，而性能由其結構來決定，因此在制備過程中微結構的調控是十分重要的。

    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在均勻的前驅物溶液中形成，或是通過催化劑來催化加速；

    ②溶膠到凝膠的過程（凝膠）：

    溶膠粒子之間手拉手連接，分層裝配進一個具有連續網狀結構的濕凝膠；

    ③凝膠到氣凝膠的過程（干燥）：

    這個過程中濕凝膠中的溶劑被空氣所替代，同時不會有嚴重的微結構破壞。

    氣凝膠的制備技術主要包括溶膠—凝膠技術和干燥技術，前者主要是獲得具有一定空間網絡結構的含有少量催化劑的醇凝膠，后者則是去掉醇凝膠網絡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品形式

    當前氣凝膠的產品形態主要有氈、板、布、紙、顆粒、粉末和異形件等，其中，大部分的產品是具有保溫功能的氣凝膠產品。氣凝膠顆粒、板、布、紙和異形件，都是氣凝膠與相應產品形態的纖維復合所得的產品，基本的技術工藝是類似的，但是產品應用有著較大的區別。

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責任編輯：王元

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