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張掖氣凝膠:從航天到民用

文章出處:本站    人氣:44766    發(fā)表時(shí)間:2018-12-26 10:53:06

氣凝膠被認(rèn)為是上輕的固體,又因?yàn)楦弑缺砻娣e和低熱導(dǎo)率的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空航天器防熱材料。1999年,美國(guó)航空航天局(NASA)研制出了密度為 3 mg/cm3的二氧化硅氣凝膠,成為當(dāng)時(shí)上輕的固體材料。但是,由于硅氣凝膠材料脆性、濕度敏感等特性限制了其使用,NASA多年來(lái)直在支持開(kāi)展耐久性氣凝膠的相關(guān)研究工作。

 

硅氣凝膠材料

基于項(xiàng)航天器著陸用的輕質(zhì)、柔韌的超音速充氣減速器材料的需求,NASA格倫研究中心(GRC)的研究人員先開(kāi)展了采用聚合物增強(qiáng)硅氣凝膠來(lái)提高其耐用性的研究,發(fā)現(xiàn)聚合物增強(qiáng)的硅氣凝膠相比硅氣凝膠密度加倍、比表面積減少30%50%,但強(qiáng)度提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

 

聚合物增強(qiáng)硅氣凝膠提高耐用性

盡管如此,其強(qiáng)度仍不能滿足航天器減速材料的要求。此后,又與阿克倫大學(xué)合作開(kāi)展了八氨苯基(POSS)交聯(lián)的聚酰亞胺氣凝膠,制備出密度為0.12 g/cm3、孔隙率為90%的聚酰亞胺氣凝膠。這種材料可以經(jīng)受1100 °F的溫度達(dá)90 s,從而確保進(jìn)入大氣層時(shí)不會(huì)燃燒;強(qiáng)度是聚合物增強(qiáng)的硅氣凝膠的 5 倍,可制成更薄(厚度0.5 mm)的材料以滿足可折疊儲(chǔ)存在航天器中的要求,很好地克服了硅氣凝膠在重量、成本、柔韌性、耐久性等方面的不足。

 

柔性聚酰亞胺氣凝膠

基于氣凝膠和纖維材料,NASA開(kāi)始研制能夠滿足航天器結(jié)構(gòu)材料和防熱材料要求的多功能復(fù)合材料。如NASA肯尼迪航天中心(KSC)的研究人員開(kāi)發(fā)了種多功能氣凝膠/纖維混雜層壓復(fù)合材料的制造方法,可以通過(guò)選擇不同的纖維層(如聚酯、碳纖維、Kevlar®纖維、Spectra®纖維、Innegra纖維或其組合)、不同的氣凝膠層厚度及不同的復(fù)合結(jié)構(gòu),制成不同功能或多功能的復(fù)合材料。這種輕量化、高強(qiáng)度的多功能復(fù)合材料可滿足航空航天器在防熱、耐沖擊、能量吸收、吸音等方面的要求,并可在汽車(chē)、船舶、建筑、液化天然氣輸送、運(yùn)動(dòng)器材及軍事防護(hù)等諸多域應(yīng)用。

 

航天應(yīng)用案例:充氣式減速器

為了實(shí)現(xiàn)載人火星登陸計(jì)劃,NASA正在開(kāi)發(fā)重載荷運(yùn)輸技術(shù),超音速充氣式氣動(dòng)減速器(HIAD)是項(xiàng)可為航天器制動(dòng)提供有效載荷和體積效益的解決方案。2006年,NASA成立了項(xiàng)名為“先進(jìn)大氣層充氣式減速器”(Advance Inflatable Decelerators for Atmospheric Entry,PAIDAE)的項(xiàng)目,并研制了由外層、熱層、氣密層組成的,直徑為3-12 mHIAD。

 

民用案例:戶外服裝及裝備

2015年,FLEXcon公司從NASA GRC獲得了該柔性氣凝膠技術(shù)的許可,并與同樣正在開(kāi)展聚酰亞胺氣凝膠研發(fā)的Blueshift公司合作,以更大規(guī)模地生產(chǎn)這種符合NASA高規(guī)格的氣凝膠材料。除了在端環(huán)境下使用的管道隔熱產(chǎn)品等,FLEXcon公司還正在開(kāi)發(fā)聚酰亞胺氣凝膠高端戶外用品,如戶外服裝、手套、鞋靴、帳篷等。


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