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

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。

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］。

图2 典型二氧化硅气凝胶结构

Fig.2 Typical silica aerogel structure

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/m·K-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/m·K-1，抽真空时热导率约为0.005 W/m·K-1。当前，二氧化硅气凝胶的热导率最低可至0.01 W/m·K-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。

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，二氧化硅气凝胶的短时使用温度最高也不会超过700~800 ℃。这是因为组成二氧化硅气凝胶的颗粒和孔隙结构的尺度范围在纳米层次，在高温下其表面活性较高，易发生烧结现象，颗粒会变大，孔结构会消失，从而导致气凝胶微观结构遭到破坏，宏观尺寸发生严重收缩，极大降低其隔热性能。气凝胶的耐温性不足问题已成为阻碍其在高温隔热领域实际应用的主要瓶颈之一［15］。航天特种材料及工艺技术研究所在耐温650 ℃的中温型二氧化硅气凝胶的基础上，从纳米结构调控角度出发，研制出最高使用温度为1200 ℃的高温型气凝胶材料。一方面，通过筛选合适的硅源前驱体，在溶胶凝胶阶段进行微观结构控制，降低二氧化硅颗粒的表面能，初步提高材料耐温性；另一方面，通过包括改进老化工艺和疏水工艺等后处理操作，增强凝胶骨架网络强度，进一步提升材料的耐温性（图3）。所制备的二氧化硅气凝胶经过1200 ℃/0.5 h的高温考核后，其线收缩率仅为3%，将二氧化硅气凝胶的耐温性大幅提高至1200 ℃。目前该型气凝胶已实现批量化生产和工程化应用，作为耐高温高性能隔热材料，在我国多型号飞行器的外隔热层以及运载火箭发动机隔热层等中得到广泛应用。

图3 耐1200 ℃二氧化硅气凝胶透射电镜图

Fig.3 Transmission electron microscope image of silica aerogel resistant to 1200 ℃

二氧化硅气凝胶由于材料本身的耐温性限制，其在1200~1300 ℃高温下将发生无定形态到石英态的晶型转变，因此很难进一步提高二氧化硅气凝胶的耐受温度。相比于二氧化硅气凝胶，氧化铝气凝胶良好的结晶性质和独特的纤维网络结构使其在高温下表现出更高的热稳定性和化学稳定性，有望解决飞行器在有氧环境下更高温隔热的需求难题。然而，当前通过溶胶凝胶法制备的氧化铝气凝胶其初始状态一般为勃姆石相，随着温度的升高将发生多次晶型转变，如何进一步提高氧化铝气凝胶的高温稳定性已成为研究热点。不同于以往研究者们采用氧化铝纳米颗粒作为气凝胶材料的构筑基元的方式，航天特种材料及工艺技术研究所独辟蹊径，设计和制备了一种氧化铝纳米棒，并通过对氧化铝纳米棒与二氧化硅纳米颗粒的组装和退火过程进行控制，实现了耐1400 ℃气凝胶材料的制备，如图4所示［16］。这一方面归功于纳米棒一维单元克服了传统珍珠项链状气凝胶骨架的弱点，解决了高表面能带来的烧结问题；另一方面则得益于纳米棒的自支撑作用，热处理过程使合适的硅铝组分在高温下生成了耐更高温度的莫来石相。通过纤维增强后的复合材料耐温性可高达1500 ℃，在石英灯1500 ℃单面考核1800 s下，其Z向的线收缩仅为2.33%。该项工作为空天领域中超高温下使用的高性能隔热气凝胶材料的开发提供了一个新的视角。

图8 气凝胶隔热材料在美国火星探测任务中的应用

Fig.8 Application of aerogel thermal insulation material in the US Mars exploration mission

为应对不久的将来以火星载人登陆为代表的深空探测任务中对隔热的新需求，美国NASA也尝试利用气凝胶提出解决方案。载人火星探测器在EDL阶段需要快速完成高速气动减速以便安全着陆，减速器的充气展开柔性结构外表面需要采用柔性热防护系统保护，如图8（c）-（d）所示。他们利用最高可耐受1100 ℃的纤维复合二氧化硅气凝胶和分解温度大于560 ℃的低聚倍半硅氧烷交联型聚酰亚胺气凝胶组成的柔性隔热材料组合，使得飞行器在验证实验中经受住了再入速度高达3 km/s、最高热流密度接近20 W/cm2、最高热流持续时间长达90 s、最高驻点温度1260 ℃的极端气动加热环境考核［25］。此外，为了宇航员能在火星上安全执行出舱活动，所使用的航天服在火星空间环境下，要具备优异的热防护效果，在NASA约翰逊航天中心支持下，Aspen公司研制出纤维增强的二氧化硅气凝胶柔性复合纤维材料，其在火星低真空环境下热导率为0.005 W/m·K-1，仅仅是多层隔热结构的五分之一，这种高效隔热的气凝胶材料有望用于未来航天服的柔性热防护结构［26］。

除了将气凝胶用于深空探测器的隔热，NASA还将气凝胶用于航天飞机和运载火箭上多个部位的隔热。NASA肯尼迪太空中心将Cabot公司商品化的气凝胶颗粒材料用在航天飞机、运载火箭、空天飞行器的液氢低温推进剂储罐，展示了气凝胶在-147 ℃超低温环境下优异的保温性能，不仅解决了由冷凝环境空气造成的发射安全风险的问题，而且为航天飞机减重高达230 kg［27］。NASA艾姆斯研究中心还将气凝胶前驱体渗入到陶瓷纤维瓦的缝隙中，制备出气凝胶隔热瓦复合刚性隔热材料，将航天飞机所用的常规隔热瓦的隔热性能提高了1~2个数量级，这种新型隔热材料可用于未来可重复使用航天器的燃料箱隔热层中。

作为我国最早进行功能化气凝胶研制和工程化应用的主要单位之一，航天特种材料及工艺技术研究所已研制出了包括中温型、高温型、高温透波型和超高温型在内的系列牌号二氧化硅气凝胶材料，这一系列高性能气凝胶隔热材料已用于我国数十型飞行器中。在空间隔热领域，针对我国空天探测中飞行器和探测器对轻量化、耐恶劣空间环境的防隔热需求，航天特种材料及工艺技术研究所开发了系列轻质高性能隔热材料，承担了我国空间探测工程的多项配套任务；针对货运飞船低温轨道精确控温需求，研制出纤维增强气凝胶和气凝胶真空隔热板，如图9（a）所示；针对运载火箭发动机燃气系统、隔离气瓶和氧涡轮的高温隔热需求，研制出高性能纳米气凝胶隔热复合材料；针对月球探测器某关键电子器件的长时隔热需求，研制出长服役寿命的气凝胶隔热组件；针对火星探测着陆巡视器需适应火星高低温交变环境隔热需求，研制出超低密度气凝胶复合隔热板，如图9（b）所示。相关气凝胶产品在历次任务中质量稳定可靠，成功保障了载人航天、探月工程和探火工程等一系列国家重大空间任务取得圆满成功，并将继续在我国空间站建设、未来深空探测任务中做出更大贡献。

图10 气凝胶材料在美国星尘计划中用于高速粒子捕获

Fig.10 Aerogel materials for high-speed particle capture in US Stardust program

除了美国，欧洲航天局也曾将密度为0.05 g/cm3的二氧化硅气凝胶捕获装置部署在EuReCa可回收卫星中，收集到了12颗来自微流星体的粒子。2001年，日本宇航开发机构通过将密度为0.03 g/cm3的二氧化硅气凝胶块体组成的尘埃收集器，搭载在国际空间站上进行微粒子捕获试验。2015年，日本宇航开发机构启动了蒲公英计划，基于所制备的内层密度为0.01 g/cm3、外层密度为0.03 g/cm3的双层二氧化硅气凝胶板块来采集漂浮在宇宙空间中的尘埃颗粒，探寻外星球中是否有生命物质［32］。2013年，法国发展研究院和国家科学研究院利用密度为0.09 g/cm3的气凝胶捕获器搭载在国际空间站上收集太空粒子碎片，较大的密度使得捕获器的力学强度明显增强［33］。虽然我国目前还未开展利用气凝胶材料进行宇宙尘埃捕获的空间探测实验，但是随着可搭载捕获装置的空间站平台的建设，相关研究迎来了重大发展机遇。

随着气凝胶制备技术和应用技术的快速发展，各种新型高性能气凝胶在多空域飞行器中的应用一直是国内外研究的重点和热点，并取得了极大的成功。

（1）气凝胶的轻质、隔热等优异性能与气凝胶的独特微观结构密切相关，气凝胶结构的调控主要取决于溶胶凝胶、老化、干燥等关键制备过程。在现有研究工作的基础上，紧紧围绕气凝胶的制备-结构-性能-应用之间关系的研究，必将能开发出更高性能的气凝胶，进而推动空天领域气凝胶材料的研究及应用进程。

（2）空天技术领域的快速发展对具有耐高温、轻量化、高透波等高性能的热防护系统提出了新的要求。通过各种气凝胶结构设计和性能优化，目前已突破了耐高温气凝胶制备、超低密度气凝胶制备和透波型气凝胶制备等关键技术，初步满足了各类飞行器的使用需求。未来服役环境将更加复杂苛刻，需要进一步提升气凝胶材料的耐温、隔热、承载、透波、隐身等综合性能以期满足使用要求。

（3）气凝胶的纳米多孔结构特征及其高隔热、耐高温、低密度等性能，使其在以飞行器隔热和粒子捕获为典型应用代表的众多航空航天任务中得到应用。此外，气凝胶还具有低介电、高吸波、高隔音、高透明、低折射等众多优异性能，有望进一步开发和拓展气凝胶除隔热之外的其它空天领域新应用。

本文刊登于《空天技术》2022年第1期

引用本文

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.

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