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中國自主研發的納米氣凝膠神奇在哪里?

2021-04-12 15:28:19 來源：央廣網

3月26日,國家航天局發布2幅由我國首次火星探測任務天問一號探測器拍攝的南、北半球火星側身影像。據國家航天局消息,至此,天問一號探測器已在停泊軌道運行一個多月,探測器上的科學探測設備已陸續開機,對火星表面預選著陸區的地形地貌和沙塵天氣進行詳查,計劃于今年5月至6月擇機實施火星著陸,開展巡視探測。

天問一號任務是我國獨立開展行星際探測的第一步,將通過一次發射實現對火星的“繞、著、巡”,即火星環繞、火星著陸、火面巡視。航天科技集團五院火星探測器總設計師孫澤洲曾在接受媒體采訪時指出,“世界上從來沒有哪個國家一次同時實現(這三個目標)。”

在天問一號火星探測器中,使用了我國獨立自主研發的多項“黑科技”,其中之一便是應用在火星車上的熱控材料——納米氣凝膠。作為一種新型隔熱保溫材料,它將分別用來應對“極熱”和“極寒”兩種嚴酷環境。同時,納米氣凝膠的超輕特性極大地減小了火星車的負擔,讓它跑得更快、更遠。

4月6日,央廣網記者一行走進中國航天科工三院306所,近距離了解了納米氣凝膠的材料性能、工作原理及應用場景等。

“極熱”和“極寒”環境何以體現?

“極熱”考驗出現在火星著陸階段,著陸發動機產生的熱量使周圍溫度達到1000℃以上;“極寒”考驗則出現在火星巡視階段,要能夠確保火星車在-130℃的環境正常工作。此外,為了給火星車減負,還需要氣凝膠具有超低密度。

納米氣凝膠神奇在哪里?

據中國航天科工三院306所氣凝膠研發團隊介紹,納米氣凝膠并不被大眾熟知,但被科學界譽為“改變世界的神奇材料”。這是一種具有納米孔結構的輕質材料,它是由納米尺度的固體骨架構成的一個三維立體網絡,網絡結構間包含著豐富的納米孔隙,孔隙率可以高達99.8%。正是由于這種特殊結構,它的密度可以做到比空氣還輕,是世界上最輕的固體;它的導熱系數僅為靜止空氣的一半,是導熱系數最低的固體。此外,氣凝膠的比表面積很高,1克氣凝膠的表面展開面積可達到1000平方米。這些特殊的性能,使納米氣凝膠成為“天問一號”應對極寒、極熱等嚴酷環境所需熱防護材料的不二之選。

在超輕性能方面,將一塊氣凝膠放置在新鮮花蕊上,花蕊未被壓彎。這就確保了將氣凝膠應用于火星車上時,幾乎不會增加重量。

當把氣凝膠材料用于阻隔熱量的時候,它纖細的骨架讓熱量傳導變得非常困難,相當于讓熱量沿著羊腸小道在三維網絡上走迷宮;而大量的納米孔隙就像一個個單獨的房間,把單個的氣體分子關起來,讓氣體分子既不能流動也不能彼此接觸,從而把對流傳熱消于無形。

概括而言,10mm左右的隔熱組件能夠在整個著陸過程中將1000℃以上高溫阻隔到可接受的溫度范圍,就像消防員身上穿的防火服;火星車表面鋪設了大面積的氣凝膠板,就像登山運動員身上穿的防寒服,不僅阻隔了-130℃的環境低溫,而且自身的密度只有15mg/cm3,即同等體積下,重量只有鋼的1/500,鋁的1/180,水的1/60,保障火星車“跑”得更快,“跑”得更遠。

中國自主研發的氣凝膠何以問世?

306所作為航天科工集團特種材料及工藝技術研究中心,早在2005年就通過對熱防護材料技術體系的追蹤和研判,敏銳地捕捉到氣凝膠材料未來將在空天領域有巨大的應用前景,并果斷開始自主投入,成為國內最早開展氣凝膠材料研究的單位之一。

因此,當2014年了解到火星探測關于熱防護的需求時,306所已在氣凝膠領域深耕了近10年。邁過了從0到1,組建團隊、構建試驗室、搭建工程裝備的初創期,氣凝膠也早已從試驗室的瓶瓶罐罐、巴掌大的樣品到了通過關鍵型號高溫試驗考核的穩定構件。隨著航天裝備一次次沖上藍天,此時306所的氣凝膠材料已正式走到了舞臺的中央。經過前期扎實的基礎研究,技術團隊已經掌握了氣凝膠結構可控制備和工程應用的全套技術,先后發展了中溫型、高溫型等幾個系列氣凝膠產品,研究成果獲得國家科技進步獎、中國專利金獎。

氣凝膠將如何走入尋常百姓家?

據介紹,為了滿足我國新一代武器裝備對高性能隔熱復合材料的需求,306所科研人員歷經十余年的不懈努力,研制開發出使用溫域覆蓋-100℃至2500℃的系列化、規模化的氣凝膠材料產品,并可根據客戶需求對材料性能進行調控定制,產品按照形態和用途分為氣凝膠構件、柔性氈、柔性布三大類。

在氣凝膠構件技術的基礎上,科研人員深入開展低成本技術研究,開發出了氣凝膠柔性氈產品,產品幅寬可達1.5米,長度幾十至數百米不等。在相同成本條件下,其隔熱保溫性能優于傳統材料60%以上。“我們非常重視高性能復合材料技術向民用市場的轉化,已布局了高性能氣凝膠在防火裝備、管道保溫、建筑節能等領域的發展路線。未來我們將利用所掌握的技術,更好地服務于國計民生。”中國航天科工三院306所所長柳曉輝說。

通過對隔熱型氣凝膠技術進行功能拓展和材料改性,科研人員又開發出氣凝膠柔性布這一創新產品。氣凝膠柔性布是一種新型面料,具有重量輕、熱導率極低、柔韌性優異、平整度高、疏水透氣性和易用性良好等特點,適用于保暖服裝、鞋帽、帳篷等戶外用品和高溫電子電器產品。(黃昂瑾)

標簽：納米氣凝膠