自美国国家航空航天局（NASA）执行阿波罗任务以来的50年里，材料技术取得了巨大的飞跃。当时，聚合物复合材料行业还处于起步阶段，航天器部件是用轻质铝板、蜂窝结构、塑料和早期复合材料制造的。如今，越来越多的新材料被研发制备出来，气凝胶在探索太空中的作用也越来越引人注目。

什么是气凝胶

气凝胶，是世界上目前已知密度最小的纳米级多孔结构固体材料，密度仅为3.55千克每立方米，由于其内部绝大部分成分为气体，看上去呈现出云雾状，因此，气凝胶又被称为“固态的烟”。

1932年，美国化学家Samuel Stephens Kistler首次利用超临界流体干燥技术制备出 气凝胶，它创下十余项吉尼斯纪录，在热学、光学、电学、力学、声学等领域显现出许多奇特的性能，被称为“改变世界的神奇材料”。

其被列入20世纪90年代以来10大热门科学技术之一，是具有巨大应用价值的军民两用技术固态材料。

新型气凝胶是由美国国家宇航局下属的“喷气推进实验室”材料科学家史蒂芬·琼斯博士研制的。它的主要成分和玻璃一样也是二氧化硅，但因为它99.8%都是空气，所以密度只有玻璃的千分之一。

气凝胶貌似“弱不禁风”，其实非常坚固耐用。它可以承受相当于自身质量几千倍的压力，在温度达到1200摄氏度时才会熔化。此外它的导热性和折射率也很低，绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。由于具备这些特性，气凝胶便成为航天探测中不可替代的材料，俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”探测器都用它来进行热绝缘。

气凝胶显著性能

1、材质轻盈

气凝胶是世界上目前密度最小的纳米级多孔固态材料，将气凝胶通过“自组装交联法纳米微气态”制备工艺融入纤维基材，可以令到纤维呈现丰富的层叠纳米多孔形态，纤维整体密度可下降10%以上，纤维变的更加轻质蓬松、轻松告别厚重、臃肿，宛如空气般灵动。

2、蓄热锁温

空气是最好的隔热控温材料，气凝胶中90%以上是10-30 纳米静止空气团，具有非常好的隔热效果；气凝胶抗寒纤维（热湃®）丰富的纳米多孔气团形成巨量叠状隔热层，能更好的阻隔外部低温抵御严寒，在同等质数下，导热系数下降超过10%以上，纤维保温率优于羊绒材料；热湃纳米微孔隔热层在锁住体表温度流失的同时，可以实现更好的热量存储和热源供应。

3、持久抑菌

气凝胶抗寒纤维（热湃®）在纺丝原液中实现气凝胶、生物氨基活性因子、聚合物的充分融合和固化，生物氨基活性因子所具有的生态抑菌性能可以较好的固化在纤维内部起到持久抑菌和美肤护肤的作用，经权威检测机构检测，多次洗涤后仍然可以达到国标AAA的抑菌标准。

4、导湿透气

人在运动或做其他活动时，常常会产生汗水与湿气，天冷时汗水和湿气会消耗热量，让你感到寒冷不适，汗水和湿气也会使人闷热难受；气凝胶抗寒纤维（热湃®）中含有生物氨基活性因子和特有的纳米层叠多孔结构，在纤维和纤维之间形成层叠气流空间具备导湿特性，可以将湿气和汗水快速向四面八方分散，大大提升了其材料本身的导湿透气性能，保持体表微环境干爽舒适，令身体倍感温暖。

探索太空时的气凝胶

发射过程中的气凝胶材料

发射过程中产生的巨大振动和声波可能会造成重大损坏，尤其是在结构材料越来越薄、越来越轻的情况下。气凝胶可以吸收振动声能量，以确保有效载荷的安全。

气凝胶是由金属或陶瓷等固体材料制成的精细网络，因为空气占据了它们的大部分体积，所以它们是极好的绝缘体。二氧化硅气凝胶已经被用于使火星车上的电池和电子设备免受极端温度的影响。它们发明于20世纪30年代，是通过将二氧化硅与溶剂以产生凝胶，然后去除液体。这一棘手的最后一步可能会破坏脆弱的凝胶结构，研究人员已经开发了新技术，如超临界流体提取和升华，以成功地做到这一点，扩大了化学家可以转化为气凝胶的物质领域。

对于载人任务，正在研究由聚酰亚胺制成的气凝胶：聚酰亚胺是一种具有刚性环状结构的聚合物，相邻聚合物链上的氮原子和羰基之间有很强的相互作用。这些性能使聚酰亚胺具有足够的耐热性和化学降解性，可以取代航空航天零件所用的薄膜、粘合剂或泡沫。聚酰亚胺气凝胶可能比二氧化硅气凝胶有更多的用途，因为它们更坚固、更灵活，而且“你真的可以调整骨架来调整化学性能。”实验室测试表明，聚酰亚胺气动凝胶比航天器目前用来减少发射过程中振动的三聚氰胺泡沫更好。“在发射环境中，声音水平为160分贝”，“我们可以将其降低50分贝。然后可以节省体积。四分之一英寸[0.6厘米]的聚酰亚胺气凝胶的性能与4英寸的三聚氰胺泡沫相同。此外，你可以去除经常用于减振的重橡胶。”

飞行过程中的气凝胶材料

随着宇宙飞船向恒星发射火箭，它们还面临着许多其他严峻的条件。以极快的速度飞行会产生灼热的热量；在地球大气层外，太阳在数百摄氏度的温度下烘烤航天器表面；在阴影中，气温骤降至零下数百度；辐射可能对电子设备和宇航员造成危害；还有一些碎片和微流星体需要担心，比一粒沙子还小的微陨石，其传播速度远快于音速，可以在航天器外壳上产生微小的裂缝。在这方面，聚酰亚胺气凝胶也有帮助。这些材料能很好地隔绝极端高温和低温，通过将吸收紫外线的黑色素分子固定在聚合物主链上，并用辐射散射纳米颗粒浸渍材料，NASA的研究人员正在制作薄的辐射保护膜，用于火星栖息地和宇航服。

太空探索需要的气凝胶材料

在太空行走中，一旦登上月球或红色星球，太空服将是人类探险家与恶劣环境之间的唯一选择。出于这个原因，NASA的新型宇航服已经使用了几种先进材料。这套衣服的最外层是由阻燃的Nomex、防水的Gore-Tex和防弹的Kevlar制成的，“但它不是特别好防刺穿”。月球和火星尘埃中微小而尖锐的颗粒可以渗透到编织物的缝隙中。因此，通过将织物浸泡在剪切增稠液中来增强抗穿刺性。这些是载液中纳米颗粒的胶体悬浮液，在冲击下会立即从液体转变为类似固体的状态。新开发的一种最外层新型材料可以承受月球上已知有水冰的阴影陨石坑中−230°C的温度。非织造材料将由聚酰亚胺薄膜制成，气凝胶可以防止弹道撞击，这可以用于栖息地和宇航服材料。为了测试气凝胶，研究人员将材料块放在真空室中，并用3毫米宽的钢球对其进行射击，速度从200到1300米/秒不等。Vivod说：“可以把它想象成一层层的空中飞人网，然后从大炮里向它发射”。她说，气凝胶能够吸收至少20%的冲击能量，即使它们还没有准备好用于太空服，这也是一个开始。

作者：贤集网—百材号角

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