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气凝胶在航空军工的应用




气凝胶具有隔热、耐高温、降噪音、防爆、吸附、耐腐蚀、催化、透光、低介电常数等优点,可广泛应用于航天航空、军工、集成电路、化工、新能源等多个领域。


1. 隔热、耐高温

由于气凝胶近于无穷多纳米孔的存在,热流在固体中传递时就只能沿着气孔壁传递,无穷多的气孔壁构成了近于无穷长路径效应,使得固体热传导的能力下降到接近最低极限。

由气凝胶与玻璃纤维或玻璃纤维棉结合制备的气凝胶毡,不仅保温隔热效果好,还具有极耐高温特点,在-130℃1200℃范围内仍可表现出良好隔热效果。气凝胶毡不仅可以用于库房、冷藏室、特制帐篷等固定场所保温,还可以在战地指挥车、恒温运输箱、机车热源、精密仪器储存箱等移动场所隔热。气凝胶在上述场所中应用相比于同类隔热保温材料均具有突出优势。


将气凝胶和纸浆聚氨酯纤维、预氧化纤维酚醛纤维或无纺纤维等结合可以制作隔温性、强度、柔韧性能、延展性能等方面各有不同的气凝胶毡或布料,可以在装甲坦克飞机驾驶舱内衬、极限环境营地帐篷、锅炉热源保温、被褥服装、内衬头盔、军服冬装、消防服装等多个方面进行应用。


2. 防爆

在气凝胶生产过程中,如果添加适量纤维,可以在不改变气凝胶特性情况下改善其力学性能,改善后气凝胶既具有纳米介孔微观结构,又具有纤维骨架结构。在爆炸冲击波传播过程中,气凝胶介孔结构将冲击波不断耗散,同时其介孔结构也遭到破坏而发生了粉碎,由于粉碎后气凝胶骨架呈现弯曲状态,冲击波在气凝胶骨架中出现曲线传播现象,进一步促进了冲击波衰减。相比目前作为内衬材料常用泡沫铝,气凝胶具有明显优势,气凝胶黏性耗散效应导致冲击波在气凝胶传播出现衰减和弥散的现象,冲击波传播速度在气凝胶中低于在泡沫铝中使得冲击波在气凝胶中传播时追赶卸载效应要强,气凝胶内部特殊的纳米多孔网状结构导致冲击波在气凝胶中衰减比在泡沫铝中衰减更快更明显。

利用该特性,我们可以把气凝胶应用于坦克、装甲、飞机、仓储、动力设施等需要隔爆的环境中。事实上,近几年来,外军已经开始逐渐将气凝胶应用在坦克、装甲车等重型机车中。


3. 吸附作用

由于气凝胶由纳米颗粒骨架构成,具有高通透性三维纳米网络结构,拥有高比表面积(6001200 m2g-1) 和孔隙率(高达90 %以上),且孔洞又与外界相通,因此它具有良好吸附特性,对比疏水SiO2气凝胶、活性炭纤维以及活性炭颗粒对吸附介质为苯、甲苯、四氯化碳、乙醛的吸附性能测试结果发现,SiO2气凝胶的吸附性能较活性炭纤维(ACF)和活性炭颗粒(GAC)更为优越。而且通过改性制备出的疏水SiO2气凝胶,可以避免亲水型活性炭在潮湿环境下吸附性能大幅降低这种缺陷。同时若将SiO2气凝胶进行第一次吸附脱附后,再次进行吸附研究,SiO2气凝胶可方便地经由热气流脱附,再吸附容量基本不变,这就为循环利用创造了有利的条件。通过技术调整,气凝胶的吸附作用可体现为吸收、排斥、净化等形式。

以防毒面具为例,防毒面具作为一种个人特种劳动保护用品,也是单兵防护用品,其过滤元件内除了有一层针对空气颗粒物的滤烟层,还装有专门对付毒气蒸汽的防毒炭,防毒炭不仅要有非常发达的微孔结构,还要借助催化剂进行物化反应,除去气体中的毒害物质。我们将气凝胶和防毒炭结合,利用气凝胶的纳米介孔结构使得结合后的防毒炭吸附作用大大提高,同时气凝胶稳定的化学性质使得其在作为催化剂载体非常有优势,各种性质的催化剂都可以使用,这样我们也可根据需求制作多种用途的防毒面具。


气凝胶内部充满了两端开放并与表面相通的纳米孔,其高达400--1000m2/g的比表面积说明了其中包含孔的数量之多,因此声音在其中传播时,声能将被其大量存在的孔壁大大消耗,这使得气凝胶具有比普通多孔材料高数十倍的吸声效果,是一种理想的声学延迟或高温隔音材料。二氧化硅气凝胶的声阻抗可变范围较大(103107 kg/m2·s),是一种较理想的超声探测器的声阻耦合材料和隐形材料。

如果应用于军工领域,可实现飞机、舰船(艇)、坦克等的隔音降噪,尤其是潜艇的隔音降噪;移动、固定指挥所等军用设施的隔音降噪;还可以制造隐形涂料,用于隐形战机、飞行器等。


气凝胶具有低介电常数(1),而且可通过改变其密度调节介电常数值。一般而言,所用衬底材料的介电常数越低,则运算速度越快。现在集成电路所用的衬底材料为Al2O3,其介电常数为10,目前的趋势是使用聚酰亚胺(e~3)或其它高聚物介电材料替代Al2O3,然而,高聚物的热膨胀系数较高,容易引起应力以及变形。气凝胶具有一些更优越的特性,其介电常数值很低且可以调节,其热膨胀系数与硅材料相近因此应力很小,而且相对聚酰亚胺它有良好的高温稳定性。因此如将集成电路所用的衬底材料改成气凝胶薄膜,其运算速度可提高3倍。

可以用于超级计算机、卫星探测系统、电子控制系统等零部件的制造;延长铅酸电池(用于飞机、舰船(艇)、坦克等)的使用寿命。

综上所述,新型材料气凝胶与传统隔热材料相比,可以用更轻的质量、更小的体积达到更好的隔热效果,它的吸附特性能够有效抵抗冲击,捕获太空粒子,这些特点在航天应用领域具有极大的优势。具体可以应用于:

1、航天器舱体建筑材料,可以达到隔热、保温、防冲击、防辐射、防静电、防腐蚀的效果,还可以有效减少航天器自身重量;返回舱的外层涂料,实现返回大气层时隔热效果。

2、宇航服的制作,实现保温、防冲击、防辐射等效果。

3、星球探测车制造材料,外星探测设备精密部件保护(防辐射)。

4、吸附、捕获太空粒子。


同样的特性在军工领域,可应用于:

1、飞机、舰船(艇)、坦克、导弹等的外层涂料(防辐射、吸收红外线和漫反射波,躲避探测实现隐形功能;屏蔽自身电子信号,实现反侦察。)、内部零件(防静电处理、绝热保温系统)、外部设备(控制舱玻璃、履带、轮胎等的防爆处理。)

2、气凝胶复合珍珠岩保温房屋、战机防弹机窝、复合纤维保温帐篷。

3、气凝胶复合防弹衣、防红外线服装面料(隐形衣)、防毒面具。

甚至在不远的未来,气凝胶将在太阳能武器、太空粒子武器、气凝胶机器人的研发;激光武器的研发和防护中发挥重要的作用。