奇妙的保溫材料——?dú)饽z

火星表層溫度比地球低的多，較低溫小于-100℃。在這種低溫環(huán)境中，火星車怎樣解決保溫問題呢？

其實(shí)地球路軌的航天器、月球表層的探測儀也面臨著不良溫度環(huán)境，為了維持航天器設(shè)備在較為舒心的溫度條件下工作，一般通過給航天器穿著一種稱為雙層隔熱組件的“衣服”，那樣不管外界環(huán)境冷或是熱，航天器都不受影響。

但是雙層隔熱部件只會(huì)在真空里才具有良好的耐火性能，火星表層800Pa左右二氧化碳?xì)怏w環(huán)境里，它隔熱效果就失去了。隔熱保溫凝膠廠家表示，這便是火星車需要選用氣凝膠隔熱的原因。

氣凝膠是一種分散介質(zhì)為汽體，由膠體粒子或聚合物分子互相集聚成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的納米多孔性固態(tài)材料。氣凝膠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基本粒子孔徑為1~20nm，孔眼規(guī)格為1~100nm。因?yàn)椴牧侠锏闹睆降陀诳諝夥肿拥钠骄杂沙蹋苡行У匾种蛊w對(duì)流。

那樣，氣凝膠有什么神奇之處呢？

（1）耐火性能好

用以隔熱的聚四氟乙烯的傳熱系數(shù)為0.27W/（mK），而納米氣凝膠的傳熱系數(shù)一般為0.02W/（mK），僅是聚四氟乙烯的1/13。隔熱保溫凝膠廠家表示，這是因?yàn)樵诨鹦黔h(huán)境空氣下小空隙滯止了二氧化碳?xì)怏w，讓對(duì)流換熱發(fā)展不起來，氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)比較薄，傳熱途徑長，減少了導(dǎo)熱水平。因而，密度低的納米氣凝膠材料是火星車熱控系統(tǒng)的不錯(cuò)保溫材料。

（2）重量輕

鐵的密度是7800kg/m3，換句話說1立方的鐵，凈重做到7.8噸；空氣的密度是1.29kg/m3，換句話說1立方空氣，凈重為1.29KG。火星車使用的氣凝膠密度是30kg/m3，大約是空氣的23倍，氣凝膠生產(chǎn)中疑膠里的液態(tài)被汽體替代，產(chǎn)生相當(dāng)多的孔眼及構(gòu)造胞元，因而密度較低。

密度低二氧化硅氣凝膠塊體表面呈淺藍(lán)色，因?yàn)槊芏鹊?，塊體能夠穩(wěn)定地局限在一朵真實(shí)月季花的表層。該材料還具有較強(qiáng)的透光性，能夠清晰地觀察到月季花的微小構(gòu)造。

氣凝膠材料很輕

氣凝膠透光性優(yōu)良

（3）質(zhì)量穩(wěn)定

氣凝膠材質(zhì)有多種，在火星車?yán)镞\(yùn)用的氣凝膠成分是二氧化硅，在空間輻射環(huán)境里，這類材料承受空間高能輻射的能力強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生的性能衰退。隔熱保溫凝膠廠家表示，選用60Coγ輻射源，對(duì)樣件開展外露輻照，數(shù)據(jù)顯示，傳熱系數(shù)基本沒有產(chǎn)生變化，結(jié)構(gòu)與質(zhì)量穩(wěn)定。

那樣，火星車的氣凝膠是如何制取出的呢？

制取過程主要分溶膠－疑膠流程和超臨界干躁過程。首先根據(jù)溶膠－疑膠過程產(chǎn)生三維納米的濕疑膠孔眼構(gòu)造，隨后選用超臨界干燥技術(shù)在零界面張力條件下，除去孔眼結(jié)構(gòu)中的溶劑，而維持納米結(jié)構(gòu)不被毀壞，后面形成氣凝膠材料。

根據(jù)電子顯微鏡（TEM）觀查氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)，密度低氣凝膠的骨架結(jié)構(gòu)規(guī)格為2~5nm左右鏈狀結(jié)構(gòu)組成的多孔網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，孔尺寸多見20nm上下，并且也存有少量超過100nm的大孔結(jié)構(gòu)，這是密度低氣凝膠的典型特點(diǎn)。

但是這樣的氣凝膠沒法用以工程，因?yàn)槌司邆漭^好的耐火性能，還規(guī)定在密度低環(huán)境下，材料具有一定的強(qiáng)度，可機(jī)加為異形面的結(jié)構(gòu)，開展組件的安裝，因而還需進(jìn)行增強(qiáng)體復(fù)合成型技術(shù)研究，產(chǎn)生密度低氣凝膠復(fù)合材質(zhì)，使密度低氣凝膠材料具備工程應(yīng)用價(jià)值。

加工后氣凝膠

采用密度為7~10kg/m3的高聚物泡沫材料，為密度低氣凝膠給予較好的框架強(qiáng)度，后面構(gòu)成了密度低于30kg/m3的密度低納米氣凝膠復(fù)合材質(zhì)。所制備的密度低氣凝膠復(fù)合材質(zhì)為白色塊體，具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可進(jìn)行手執(zhí)組裝?？蓹C(jī)加為圓弧和斜角構(gòu)造，有益于開展部部件拼裝，產(chǎn)生隔熱部件，開展工程應(yīng)用。

密度低氣凝膠復(fù)合材質(zhì)

泡沫提高后，氣凝膠復(fù)合材質(zhì)的密度為28~30kg/m3。檢測復(fù)合材質(zhì)耐火性能，發(fā)覺密度為25kg/m3的純氣凝膠塊體室溫傳熱系數(shù)為0.030W/(mK)，而氣凝膠復(fù)合材質(zhì)的室溫傳熱系數(shù)降至0.022W/(mK)。這是因?yàn)闅饽z針對(duì)近紅外輻射幾乎全通過，而高聚物泡沫的引進(jìn)，可提高其紅外擋住特性，進(jìn)而提升了耐火性能。

檢測密度低納米氣凝膠材料在不同氣壓和不同溫度中的傳熱系數(shù)，結(jié)果顯示，在真空低溫環(huán)境下，氣凝膠材料傳熱系數(shù)具備較低值。隨著壓力的上升，材料的傳熱系數(shù)升高，其原因在于隨著壓力的上升，汽體分子企業(yè)體積密度加大，碰撞頻率加重。隨著的溫度升高，傳熱系數(shù)也呈上升趨勢，這是因?yàn)闇囟壬仙?，汽體分子活動(dòng)加重，造成液相導(dǎo)熱的升高，同時(shí)固相導(dǎo)熱也隨著溫度上升而上升。

其實(shí)，氣凝膠不但用以火星車隔熱，還可用作發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)施高溫隔熱，在美國“星塵”號(hào)探測器中，用氣凝膠固定被檢測星體的顆粒，并將這些顆粒帶到地球進(jìn)一步研究。并且，氣凝膠做為墻體保溫材料還能夠廣泛用于航天航空、建筑、原油供熱等各行各業(yè)，運(yùn)用前景廣闊。

認(rèn)證火星車熱設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)