氣凝膠作為世界最輕的固體，多次入選吉尼斯世界紀錄。氣凝膠的導熱性和折射率也很低，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。在俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”的探測器上都有用到氣凝膠進行熱絕緣，已經在航空航天領域發揮了至關重要的作用。科學家們正在探索將氣凝膠用于超級隔熱太空服、超級電容器、催化劑、下一代網球拍等各個領域。氣凝膠有望和20世紀30年代的酚醛樹脂、20世紀80年代的碳
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（1）超輕。氣凝膠是世界上密度最小的固體，密度最小可以達到空氣質量的六分之一。密度變化范圍一般為0.001~1g/cm3。
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（2）高孔隙率和高比表面積。孔隙率為80%~99.9%，比表面積為200~1000㎡/g，孔洞的典型尺寸為1~100nm。
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（3）超級隔熱。氣凝膠纖細的納米網絡結構有效地限制了局域熱激發的傳播，其固態熱導率比相應的玻璃態材料低2~3個數量級。
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（4）催化。氣凝膠的小粒徑、高比表面積和低密度等特點，使氣凝膠催化劑的活性和選擇性均遠遠高于常規催化劑，而且活性組分可以非常均勻地分散于載體中，同時它還具有優良的熱穩定性，可以有效地減少副反應發生。
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（5）隔音。氣凝膠的低聲速特性，使其成為一種理想的聲學延遲或高溫隔音材料。氣凝膠的聲阻抗可變范圍較大[103 ?～? 107kg/(㎡·s)]，是一種較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料，用于超聲波發生器和探測器的壓電陶瓷的聲阻是1.5×107kg/(㎡·s)，而空氣的聲阻只有400kg/(㎡·s)。用厚度為1/4波長、密度在0.3g/cm3左右的硅氣凝膠作為壓電陶瓷與空氣的聲阻耦合材料，能使聲強提高30dB，提高聲波的傳輸效率，降低器件應用中的信噪比。
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（6）過濾性能。納米結構的氣凝膠還可作為一種新型高效氣體過濾材料。由于氣凝膠具有特別大的比表面積，科學家們將氣凝膠稱為“超級海綿”，它是非常理想的吸附水中污染物的材料，能吸出水中的鉛和水銀，是處理生態災難的絕好材料。
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（7）光學性能。純凈的SiO?氣凝膠是透明無色的，它的折射率(1.006~1.06) 非常接近于空氣的折射率，這意味著SiO?氣凝膠對入射光幾乎沒有反射損失，能有效地透過太陽光。因此，可以用來制作絕熱降噪玻璃。
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由于氣凝膠材料優異的隔熱性能及輕質特性，其在航天航空以及軍工領域中的應用較為成熟，例如在美國MKV-22魚鷹傾轉旋翼機的機艙壁隔熱系統和紅外系統的防護均使用了氣凝膠，又如英國美洲豹戰斗機改型的駕駛艙隔熱壁中也使用了氣凝膠材料。
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SiO2氣凝膠的骨架顆粒結構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絡結構，如同高枝化的高聚物。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構與所采取的制備過程是密切相關的，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。
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典型二氧化硅氣凝膠結構
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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境下隔熱，也適用于火星、土星、臨近空間中間層等低真空環境下隔熱，而常規的多層隔熱材料在后者環境中的隔熱將失效；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境中對超高溫、超低溫、高交變溫度以及寬溫域隔熱的需求；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中飛行器提供了最佳的輕量化防隔熱材料方案。
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耐不同溫度氣凝膠材料的隔熱應用示意圖
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。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境（-120℃）的損害。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定性。以上基于氣凝膠的熱電隔熱技術，在2020年發射的毅力號火星車核電池上也得到了應用。
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氣凝膠隔熱材料在美國火星探測任務中的應用
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構外表面需要采用柔性熱防護系統保護。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、最高熱流持續時間長達90 s、最高駐點溫度1260 ℃的極端氣動加熱環境考核。此外，為了宇航員能在火星上安全執行出艙活動，所使用的航天服在火星空間環境下，要具備優異的熱防護效果，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，其在火星低真空環境下熱導率為0.005 W/m·K-1，僅僅是多層隔熱結構的五分之一，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構。
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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 ℃超低溫環境下優異的保溫性能，不僅解決了由冷凝環境空氣造成的發射安全風險的問題，而且為航天飛機減重高達230 kg。NASA艾姆斯研究中心還將氣凝膠前驅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隔熱瓦的隔熱性能提高了1~2個數量級，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。
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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十型飛行器中。在空間隔熱領域，針對我國空天探測中飛行器和探測器對輕量化、耐惡劣空間環境的防隔熱需求，航天特種材料及工藝技術研究所開發了系列輕質高性能隔熱材料，承擔了我國空間探測工程的多項配套任務；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；針對運載火箭發動機燃氣系統、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境隔熱需求，研制出超低密度氣凝膠復合隔熱板。相關氣凝膠產品在歷次任務中質量穩定可靠，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取得圓滿成功，并將繼續在我國空間站建設、未來深空探測任務中做出更大貢獻。
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氣凝膠隔熱材料在我國空天探測任務中的應用
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2?粒子捕獲應用
隔熱系統是氣凝膠在飛行器中最成熟的應用領域，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。高速運動的宇宙塵埃（5~80 km/s）與常規材料發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材料，氣凝膠的低密度和透明兩個特性在此領域的應用缺一不可。
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氣凝膠材料制成的捕獲器在20世紀80年代歷經多次STS航天飛機搭載實驗的基礎上，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。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，基于對塵埃樣品的分析，取得了大量顛覆性天文新認識，為此國際權威雜志《科學》出版了專輯進行報道。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。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年度經費預算為1.09億美元。
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氣凝膠材料在美國星塵計劃中用于高速粒子捕獲
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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，日本宇航開發機構通過將密度為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，日本宇航開發機構啟動了蒲公英計劃，基于所制備的內層密度為 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。2013年，法國發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。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，相關研究迎來了重大發展機遇。
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來源：華陽納谷新材料
原文始發于微信公眾號（艾邦氣凝膠論壇）：氣凝膠的空天應用