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中國自主研發(fā)的納米氣凝膠神奇在哪里?

2021-04-12 15:28:19 來源：央廣網(wǎng)

3月26日,國家航天局發(fā)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(cè)身影像。據(jù)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(shè)備已陸續(xù)開機,對火星表面預選著陸區(qū)的地形地貌和沙塵天氣進行詳查,計劃于今年5月至6月?lián)駲C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(fā)射實現(xiàn)對火星的“繞、著、巡”,即火星環(huán)繞、火星著陸、火面巡視。航天科技集團五院火星探測器總設(shè)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(xiàn)(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(fā)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(huán)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(wǎng)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(huán)境何以體現(xiàn)?

“極熱”考驗出現(xiàn)在火星著陸階段,著陸發(fā)動機產(chǎn)生的熱量使周圍溫度達到1000℃以上;“極寒”考驗則出現(xiàn)在火星巡視階段,要能夠確保火星車在-130℃的環(huán)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(jù)中國航天科工三院306所氣凝膠研發(fā)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(jié)構(gòu)的輕質(zhì)材料,它是由納米尺度的固體骨架構(gòu)成的一個三維立體網(wǎng)絡,網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),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(shù)僅為靜止空氣的一半,是導熱系數(shù)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(huán)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(wǎng)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(guān)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(shè)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(huán)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(fā)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(shù)研究中心,早在2005年就通過對熱防護材料技術(shù)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(lǐng)域有巨大的應用前景,并果斷開始自主投入,成為國內(nèi)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(guān)于熱防護的需求時,306所已在氣凝膠領(lǐng)域深耕了近10年。邁過了從0到1,組建團隊、構(gòu)建試驗室、搭建工程裝備的初創(chuàng)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(guān)鍵型號高溫試驗考核的穩(wěn)定構(gòu)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(jīng)過前期扎實的基礎(chǔ)研究,技術(shù)團隊已經(jīng)掌握了氣凝膠結(jié)構(gòu)可控制備和工程應用的全套技術(shù),先后發(fā)展了中溫型、高溫型等幾個系列氣凝膠產(chǎn)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(jù)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(jīng)十余年的不懈努力,研制開發(fā)出使用溫域覆蓋-100℃至2500℃的系列化、規(guī)模化的氣凝膠材料產(chǎn)品,并可根據(jù)客戶需求對材料性能進行調(diào)控定制,產(chǎn)品按照形態(tài)和用途分為氣凝膠構(gòu)件、柔性氈、柔性布三大類。

在氣凝膠構(gòu)件技術(shù)的基礎(chǔ)上,科研人員深入開展低成本技術(shù)研究,開發(fā)出了氣凝膠柔性氈產(chǎn)品,產(chǎn)品幅寬可達1.5米,長度幾十至數(shù)百米不等。在相同成本條件下,其隔熱保溫性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料60%以上。“我們非常重視高性能復合材料技術(shù)向民用市場的轉(zhuǎn)化,已布局了高性能氣凝膠在防火裝備、管道保溫、建筑節(jié)能等領(lǐng)域的發(fā)展路線。未來我們將利用所掌握的技術(shù),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(shù)進行功能拓展和材料改性,科研人員又開發(fā)出氣凝膠柔性布這一創(chuàng)新產(chǎn)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(yōu)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(chǎn)品。(黃昂瑾)

標簽：納米氣凝膠