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柔性氣凝膠:從“太空傘”到服裝保暖

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2018/9/11     瀏覽次數:    
  氣凝膠被認為是世界上輕的固體,又因為高比表面積和低熱導率的特點,廣泛應用于航空航天器防熱材料。1999年,美國國家航空航天局(NASA)研制出了密度為 3 mg/cm3的二氧化硅氣凝膠,成為當時世界上輕的固體材料。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多年來一直在支持開展耐久性氣凝膠的相關研究工作。

硅氣凝膠材料

  基于一項航天器著陸用的輕質、柔韌的超音速充氣減速器材料的需求,NASA格倫研究中心(GRC)的研究人員首先開展了采用聚合物增強硅氣凝膠來提高其耐用性的研究,發現聚合物增強的硅氣凝膠相比硅氣凝膠密度加倍、比表面積減少30%~50%,但強度提升了兩個數量級。
聚合物增強硅氣凝膠提高耐用性

  盡管如此,其強度仍不能滿足航天器減速材料的要求。此后,又與阿克倫大學合作開展了八氨苯基(POSS)交聯的聚酰亞胺氣凝膠,制備出密度為0.12 g/cm3、孔隙率為90%的聚酰亞胺氣凝膠。這種材料可以經受1100 °F的溫度達90 s,從而確保進入大氣層時不會燃燒;強度是聚合物增強的硅氣凝膠的 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開始研制能夠滿足航天器結構材料和防熱材料要求的多功能復合材料。如NASA肯尼迪航天中心(KSC)的研究人員開發了一種多功能氣凝膠/纖維混雜層壓復合材料的制造方法,可以通過選擇不同的纖維層(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合結構,制成不同功能或多功能的復合材料。這種輕量化、高強度的多功能復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、船舶、建筑、液化天然氣輸送、運動器材及軍事防護等諸多領域應用。


  航天應用案例:充氣式減速器

  為了實現載人火星登陸計劃,NASA正在開發重載荷運輸技術,超音速充氣式氣動減速器(HIAD)是一項可為航天器制動提供有效載荷和體積效益的解決方案。2006年,NASA成立了一項名為“先進大氣層充氣式減速器”(Advance Inflatable Decelerators for Atmospheric Entry,PAIDAE)的項目,并研制了由外層、絕熱層、氣密層組成的,直徑為3~12 m的HIAD。



  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的許可,并與同樣正在開展聚酰亞胺氣凝膠研發的Blueshift公司合作,以更大規模地生產這種符合NASA高規格的氣凝膠材料。除了在極端環境下使用的管道隔熱產品等,FLEXcon公司還正在開發聚酰亞胺氣凝膠戶外用品,如戶外服裝、手套、鞋靴、帳篷等。


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