【R1】空天领域气凝胶研究与应用进展_裴雨辰.pdf

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空 天 技 术Aerospace TechnologyNo. 1Feb.2022第 1 期2022 年 2 月空天领域气凝胶研究与应用进展裴雨辰,张晚林,李文静,刘圆圆,雷朝帅,张恩爽,张昊(航天特种材料及工艺技术研究所,北京 100074)摘要:气凝胶是一种纳米多孔结构材料,具有超低密度、超低热导率等众多优异特性,在空天飞行器的领域中得到了广泛应用。目前尚无文献综述总结近年来空天领域气凝胶的最新研究进展,特别是国内在此领域的重要突破,针对这一问题,对国内外以空天应用为背景的气凝胶材料的最新研究情况和应用前景进行了全面介绍。首先对气凝胶的制备和性能进行了简要概述,重点对空天领域用耐高温、超低密度、透波等数种高性能气凝胶的研究情况进行了总结,对气凝胶在空天领域的应用现状和前景进行了介绍,最后评述了空天领域气凝胶存在的问题和未来的发展方向,对于推动空天领域气凝胶材料的发展具有一定的意义。关键词:气凝胶材料;空天领域;隔热;耐高温;超低密度;透波中图分类号:TB32文献标识码:A文章编号:2097-0714 (2022) 01-0064-10DOI:10. 16338/j. issn. 2097-0714. 20220608Research status and application prospect of aerogels in theaerospace fieldPei Yuchen, Zhang Wanlin, Li Wenjing, Liu Yuanyuan, Lei Chaoshuai, Zhang Enshuang, Zhang Hao(Aerospace Institute of Advanced MaterialProcessing Technology,Beijing 100074,China)Abstract: Aerogel materials are widely used in aerospace vehicles because of their unique nanoporousphysical structure, as well as the accompanying ultra-low density, super-low thermal conductivity and manyother excellent characteristics. There is currently no literature review of the latest research progress of aerogelsin the aerospace field in recent years, especially the important domestic breakthroughs in this field. In responseto this problem, the latest research on aerogel materials at home and abroad based on aerospace applications isprovided. The research situation and application prospects are comprehensively introduced herein. Firstly, abrief overview of the preparation and performance of aerogels is given, focusing on the research status of high-performance aerogels with high temperature resistance, ultra-low density and wave transmission in theaerospace field. The application prospects of the field are comprehensively introduced, and finally, theproblems and future development directions of aerogels in the aerospace field are reviewed. The research is of收稿日期:2021-11-01;修回日期:2022-01-04基金项目:国家自然科学基金(22102166)作者简介:裴雨辰,研究员,主要研究方向为气凝胶隔热材料的研制。引用格式:裴雨辰,张晚林,李文静,等. 空天领域气凝胶研究与应用进展 J . 空天技术,2022(1) :64-73. (Pei Yuchen,ZhangWanlin,Li Wenjing,et al. Research status and application prospect of aerogels in the aerospace field J . Aerospace Technology,2022(1) :64-73.)第 1 期裴雨辰等: 空天领域气凝胶研究与应用进展great significance to promote the development of aerogel materials in the aerospace field.Key words: aerogel materials;aerospace field;heat insulation;high temperature resistance;ultra-low density;wave transmission1引言气凝胶最早于1931年由美国的Kistler采用溶胶凝胶法及超临界干燥技术制备1,由纳米胶体粒子或高聚物分子在三维空间上相互堆积构成,具有丰富的多孔网络结构,是轻质的固体材料。气凝胶具有超低密度、超大比表面积、超高孔隙率、超低介电常数、超低热导率等众多独特性能2。最近几十年来,随着制备技术和应用技术的快速和多元化发展,气凝胶材料在空间探测、国防军事、保温隔热、能量存储、环境保护、传感检测、化学催化和高能物理等诸多领域均具有广阔的应用前景,因此,被誉为改变世界的十大神奇材料之一3。20世纪90年代中期,美国国家航空航天局(NASA)在火星探路者和星尘计划这两个影响深远的深空探测任务中都使用了气凝胶材料,这极大地激发了世界各国将气凝胶用于航天飞机、火箭、深空探测器和导弹等各式空天飞行器中的研究兴趣。由于气凝胶材料优异的隔热性能及轻质特性,其在航天航空以及军工领域中的应用较为成熟,例如在美国MKV-22鱼鹰倾转旋翼机的机舱壁隔热系统和红外系统的防护均使用了气凝胶,又如英国美洲豹战斗机改型的驾驶舱隔热壁中也使用了气凝胶材料。近年来,随着气凝胶制备和应用技术的快速发展使气凝胶材料在空天飞行器中的应用越来越广泛,本文将对空天领域气凝胶研究情况及应用前景进行介绍。2气凝胶的结构和性能2. 1气凝胶的制备二氧化硅气凝胶是气凝胶家族中最典型的代表,也是当前研究最成熟、应用最广泛的一类氧化物气凝胶4-10。以二氧化硅气凝胶为例,深度理解气凝胶材料的制备方法、结构特点及功能特性对其在空天领域的应用具有重要作用。溶胶凝胶法是目前制备气凝胶材料最普遍的方法,主要包括凝胶的制备、凝胶的老化和凝胶的干燥三个重要阶段,如图1所示11。二氧化硅湿凝胶的制备主要是通过溶胶-凝胶来实现的,涉及复杂的反应过程,主要包括硅源的水解和缩聚两类反应。硅源前驱体分子在催化剂的催化作用下,其Si-OR发生水解反应,生成活性较高的含有Si-OH的小分子。这些活性小分子在催化剂的作用下,既可以Si-OH之间相互发生脱水缩合,也可以跟未水解的Si-OR发生醇缩合反应,从而形成低聚物的溶胶颗粒。低聚物溶胶表面仍然含有部分未反应的活性较高的-OH,会使得溶胶颗粒之间进一步缩聚,形成具有三维网络结构的高聚物凝胶。二氧化硅凝胶形成以后,并不等于溶胶凝胶过程已经完全结束,当达到凝胶点时,体系中前驱体或预聚物的水解-聚合反应还远没有停止。在凝胶形成初期,凝胶网络的骨架强度非常低,在后期干燥的过程中容易发生收缩,甚至造成裂缝,不利于得到尺寸无收缩的完整块体。因此,为了提高凝胶网络结构的强度,需要在凝胶形成后,使溶胶中的胶体粒子和小团簇继续发生缩聚反应,保证进一步聚集粘连,从而扩展到整个凝胶网络,该过程即为老化。干燥是二氧化硅气凝胶在制备过程中另外一个重要的步骤。醇凝胶的固态网络骨架空隙中存在大量的液体,包括有机溶剂和水等。要得到气溶胶凝胶老化干燥图1气凝胶制备过程示意图Fig. 1Schematic diagram of aerogel preparation process65第 1 期空天技术凝胶,必须将湿凝胶中溶剂除去,超临界干燥是防止干燥过程中凝胶发生收缩破裂的最有效方法。二氧化硅气凝胶在干燥过程中,凝胶产生开裂主要是由于毛细管压力的作用,毛细管压力来源于液气两相的表面张力。如果将二氧化硅凝胶中的液体加压加热到临界温度和临界压力以上,则体系中的液气界面会消失,凝胶中的毛细管压力也不复存在,基于上述原理的干燥方法即为超临界干燥法。2. 2气凝胶的结构SiO2气凝胶的骨架颗粒结构包含了初次粒子和次级粒子,由硅源缩聚而形成的密实无定形二氧化硅初次粒子(12 nm)聚集成球形的次级粒子(510 nm) ,次级粒子再通过相互连接形成珍珠项链状的三维网络结构,如同高枝化的高聚物,如图2所示12。这种混乱的纳米颗粒之间存在大量的孔隙,气凝胶骨架颗粒的粒径与相应的孔径基本小于50 nm,使得气凝胶具有低密度 (0. 10. 2 g/cm3)和高孔隙率(90%99%)等特性。二氧化硅气凝胶的结构与所采取的制备过程是密切相关的,溶胶凝胶、老化、干燥等阶段对最终气凝胶微观形貌的影响非常大。2. 3气凝胶的性能二氧化硅气凝胶的纳米多孔结构特点赋予了其众多优异的功能特性,在空天领域,气凝胶的隔热性能无疑是最令人关注的。由于多孔特性和纳米尺度孔径,二氧化硅气凝胶是高度隔热材料,其热导率比静止的空气 (0. 025 W/mK-1) 还低。Kistler最早证明,在环境温度下,气凝胶的热导率 约 为 0. 02 W/mK-1, 抽 真 空 时 热 导 率 约 为0. 005 W/mK-1。当前,二氧化硅气凝胶的热导率最低可至0. 01 W/mK-1,是静止空气的0. 4倍13。气凝胶材料中的热量传递主要包括固相传导、气相传导和辐射传导三种形式。在不考虑固态传热和气态传热耦合效应的前提下,气凝胶的热导率主要是三种传热方式热导率的相加。从固相传导来看,普通隔热材料由于传热路径短、颗粒间接触面积较大,导致固相热传导系数较大;而气凝胶隔热材料其热量传递是经过无限长路径,且颗粒间接触面积较小,使得固相热传导系数较小。从气相传导来看,热传递是通过气体分子间碰撞而产生的,由于气凝胶的孔径尺寸小于气体分子的平均自由程,气体间几乎无热传递,因此气相热传导系数也明显小于一般大孔隔热材料,这两方面因素决定了气凝胶的隔热能力明显优于普通隔热材料。此外,气凝胶隔热材料在高温状态下,辐射传导方式将在传热中占据重要地位,向其中加入红外遮光剂,能够对红外辐射进行吸收、反射和散射,从而达到进一步降低热导率的目的。3空天领域气凝胶研究情况3. 1耐高温气凝胶近年来,随着空天技术领域的快速发展,飞行器的飞行速度越来越快,飞行器由于在大气层中高速长时航行,其迎风面和机翼前缘等部位受到严重的气动加热作用,这些部位的热环境尤为恶劣。据报道,当飞行器以Ma=8的速度在大气层中飞行时,其头锥处和机翼前缘的温度最高分别可达1793 和1455 14。为使飞行器内部仪器设备能在正常温度范围内工作,迫切需要采用高效的热防护系统,这也对隔热材料的耐高温性能提出了更高的要求。二氧化硅气凝胶是目前研究最成熟、应用最广泛的一类高性能气凝胶隔热材料,然而,二氧化硅气凝
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