陈武峰
[转载]天问一号火星探测器的保护伞-纳米气凝胶
2021-5-19 16:31
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天问一号火星探测器的保护伞-纳米气凝胶

中国“天问一号”探测器在长征五号运载火箭发射升空,开启奔向距离地球上亿公里外的火星征程。目前已累计工作260余天,完成了火星环绕工作,并计划于今年5月至6月择机实施火星着陆,开展巡视探测。

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天问一号探测器火星捕获过程影像(定向天线监视相机画面)

在天问一号火星探测器的火星之旅中,使用了我国独立自主研发的多项“黑科技”。其中,被称为火星探测器保护伞的热控材料是新型隔热保温材料—纳米气凝胶,正是因为它的存在使得火星车可以应对 “极热”和“极寒”两种严酷环境,并且超轻特性可以极大地减小了火星车的负担,让它跑的更快,跑的更远。

纳米气凝胶,到底有何神奇之处?

气凝胶是一种具有纳米孔隙结构的轻质材料,被科学界誉为“改变世界的神奇材料”。它是由纳米尺度的固体骨架构成的一个三维立体网络,网络结构间包含着丰富的纳米孔隙,孔隙率可以高达99.8%。由于它的骨架结构是纳米尺度的,可见光可以从中间穿过,同时会发生瑞利散射,让最常见的二氧化硅气凝胶肉眼看上去像是被冻住的蓝色烟雾,这和天空呈现蓝色的原理是一样,所以它还有一个很好听的绰号,叫做“蓝烟”。

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气凝胶有什么特性?

世界上最轻的固体

特殊的孔隙结构为气凝胶带来了独特的性能,它的密度极低,甚至比同体积的空气更轻,是世界上最轻的固体。来自中国航天科工三院306所的实验人员通过一个小实验展示了气凝胶“轻”的特性。把一块气凝胶放置在一个新鲜的花蕾上,因为气凝胶本身是非常轻的,因此不会对花蕾造成任何的影响

气凝胶超轻展示实验


导热系数最低的固体

由于孔隙率极高且孔结构复杂,气凝胶孔内没有空气对流,使其同时具有极低的气相与固相热传导率。因此,具有轻质高效隔热性能的气凝胶材料在空间狭小、发射成本高昂的航空航天领域具有极高的应用价值。

气凝胶材料用于阻隔热量的时候,它纤细的骨架让热量传导变得非常困难,相当于让热量沿着羊肠小道在三维网络上走迷宫;而大量的纳米孔隙就像一个一个单独的房间,把单个的气体分子关起来,让气体分子既不能流动也不能彼此接触,能够把对流传热消于无形。


气凝胶隔热耐高温性能展示实验

气凝胶在天问一号上有哪些应用呢?

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那么在天问一号上又有哪些应用,在探测器“落”和“巡”过程发挥了哪些作用呢?

天问一号一共应用了两种气凝胶材料,分别用来应对“极热”和“极寒”。

“极热”考验出现在火星着陆阶段,着陆发动机产生的热量使周围的温度达到1200℃,隔热组件能够阻隔高温,仅仅12mm的材料就能够在整个着陆过程让它身后的温度低于110℃。就像消防员身上穿的防火服。

“极寒”考验出现在火星巡视阶段,我们在火星车的表面铺设了面积约1㎡的气凝胶板,能够确保火星车在-130℃的环境正常工作。就像登山运动员身上穿的防寒服。

“极轻”的考验,为了给火星车减负,让它“跑”的更快,“跑”的更远。这里使用的是超低密度的气凝胶,自身的密度只有15mg/cm3,同等体积下,重量只有钢的1/500,铝的1/180,水的1/60

选择这种材料一是因为它在密度、耐温性能和隔热性能等方面有先天的优势,二是它能够通过微观结构的调控,实现性能的差异化,把某一方面的性能优势进一步发挥到极致,也就是让长板更长。

气凝胶在今年空间站任务中还有其他应用吗?

在空间站的搭建和运行过程中,气凝胶材料会随长征五号系列火箭、天舟二号货运飞船执行运输任务。

气凝胶材料在航天领域已经获得了广泛的应用,涉及到的航天装备超过三十个型号,已经遍及低空、高空、临近空间和深空的各类飞行器。

比如,气凝胶在长征五号、天舟一号早有应用。在长征五号系列火箭上主要应用于发动机高温燃气系统的隔热。在天舟一号任务中,把气凝胶做成真空隔热板安装在低温锁柜中,在飞船中搭建了超级冰箱。

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天舟一号上应用的气凝胶真空隔热板展示材料

气凝胶在航天领域的发展历程如何?

随着我国大力发展航天事业,传统的热防护材料已经无法满足航天装备日新月异的需求。这时候航天科工的科研人员从文献中找到了气凝胶这样一种陌生又神奇的材料。通过对技术体系的追踪和研判,他们敏锐的捕捉到这种前沿材料未来可能会有巨大的应用前景。也就在这个时候,航天科工306所开始自主投入,成为国内最早开展气凝胶材料研究的单位之一。

整个发展历程大致可以分为三个阶段:

第一个阶段是20052010年,这是萌发期。这是从01的时期,组建团队、构建试验室、搭建小试和中试工程装备,从试验室的瓶瓶罐罐,到巴掌大的样品;从第一套敷设了气凝胶隔热层的设备舱通过高温试验考核,再到随着航天装备冲上蓝天,306所的气凝胶材料正式进入了太空。

第二个阶段是20102018年,这是成熟期。经过了前期扎实的基础研究,技术团队已经掌握了气凝胶结构可控制备和工程应用的全套技术,先后发展了中温型、高温型等几个系列气凝胶产品,在二十几型航天装备上获得了应用。研究成果先后获得国家科技进步二等奖、国防技术发明一等奖和中国专利金奖。

第三个阶段是2018年到现在,开始进入收获期。如今气凝胶研究方向延展出了十几个分支,拥有完整的自主知识产权体系,成熟产品有二十几个牌号,遍及国防和民用两个市场。

延伸阅读

纳米气凝胶在航天领域的发展和应用,是中央企业科技创新实力的一个缩影。未来,气凝胶材料如何深化发展,从基础研究到实用化、工程化的转化之路还有哪些挑战?

数十次实验让纳米气凝胶材料成功应用于天问一号

问:针对天问一号的气凝胶材料整个试验过程持续多长时间?都做了哪些试验?

答:我们是2014年了解到火星探测关于热防护的需求,到现在已经7年了。航天产品首要要求就是质量可靠,为了确保万无一失,天问一号上用到的两种气凝胶材料先后经过了物理特性、力学性能、隔热性能和空间环境耐候性能等四大类总共98项试验测试。而且每一项试验都需要经过多个批次的重复验证。

问:在研制过程中有遇到什么困难?后来是怎么解决的?

答:天问一号上使用的两种气凝胶材料对性能的要求极为苛刻又各不相同。他们的化学成分都是二氧化硅,和水晶是一样的。在保证极高的隔热性能之外,“落”用到的高温隔热组件要求气凝胶能够耐受1200℃的高温,而“巡”用到的隔热板要求气凝胶密度要小于水晶的1%。这对于研发团队来说是一项不小的挑战。

为了解决这个问题,我们分了两个步骤。首先是找到微观结构决定宏观性能的科学规律,换个通俗的说法就是,要知道到底长成什么样的气凝胶耐温性更好,而长成什么样的气凝胶才能有超低的密度。找到答案后,第二步是如何通过配方设计、通过整套制备工艺的优化和参数控制来把我们想要的微观结构在现实世界中呈现出来。

问:天问一号5月即将着陆火星,您的团队目前还在做哪些研究、试验,后续着陆火星后有何安排?

答:虽然针对天问一号的研制任务已暂告一段落,对于我们团队来说,这只是若干研究方向和若干产品中的一个。面向十四五,团队提出的目标是“更高性能、更多功能和更低成本”。

面对国家重大战略需求,能够耐受更高温度、具有更好隔热性能的气凝胶材料,具有承载、透波、红外隐身、电磁干扰等特殊功能的气凝胶材料都在研发当中;面向国民经济主战场,团队正在开展低成本制备技术的研发,希望在新能源汽车、工业保温和建筑节能等领域扩大应用。

我们也和每一个关心中国航天的普通人一样,正密切关注天问一号的任务进展,成功落火后,根据总体单位反馈的回传数据,将进行数据的整理和分析工作,用于指导后续材料的性能优化。

气凝胶材料已授权专利50余项

问:针对纳米气凝胶材料提交专利申请有何进展?

答:天问一号任务要求气凝胶材料具有超低的密度和绝佳的隔热性能。在现有的气凝胶材料体系中,没有能满足这一应用需求的材料。因此,我们针对这一需求率先开展研究,并在材料研发初期,对前驱体涉及、制备工艺流程及应用等方面都进行了积极的专利布局,持续开展专利的申请,现已积累了较为全面的知识产权成果。

研究人员针对高难度的技术研发需求进行有针对性的大量文献检索,主要从反应原理、微观结构设计、超临界状态下模拟等方面进行检索,根据研发经验和理论知识,开发了新的合成步骤,并探索出可行的工艺方案。经过长时间的反复尝试和优化,成功开发出满足要求的超低密度气凝胶隔热材料。

问:目前,纳米气凝胶材料领域提交了多少件专利申请,多少件已经获得了授权?

答:纳米气凝胶防隔热材料技术已发展成为306所核心专业技术方向之一,目前,在相关领域共提交有效专利申请125项,获得授权专利50余项。

气凝胶材料应用于日常生活场景,服务国计民生

问:以高性能隔热复合材料中使用温域覆盖-100℃至2500℃的系列化气凝胶材料产品为例,能否举例说明这些产品的在日常生活中有哪些具体应用场景?

答:实际上,我们的高性能隔热复合材料不仅能“上九天揽月”,服务于航空航天高端领域,其在日常民用市场也占据了一席之地。如我们研制的气凝胶防寒服、防寒靴被誉为新一代超轻超保暖产品,钢包保温隔热产品帮助钢铁企业节约了大量能源成本,同时我们在新能源汽车上也应用了气凝胶产品。

我们非常重视高性能复合材料技术向民用市场的转化,如开展了用于天舟一号低温锁柜的真空气凝胶隔热板在超级节能冰箱中的应用研究等。我们已布局了高性能气凝胶在防火装备、管道保温、建筑节能等领域的发展路线。未来我们将利用所掌握的技术,更好地服务于国计民生。

 

来源于:中国复合材料学会


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