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【新博会·涨知识】它是世界10大新材料之首!能耐1900度高温,火星探险都离不开它,你知道它是谁嘛?
黑龙江省博览发展促进中心   发布日期: 2021-09-13  

 

得益于优异的性能和广阔的应用前景,气凝胶产业成为新材料领域争相竞逐的高地,那么,这个被称为世界10大新材料之首的新材料到底有什么特别之处呢?下面请跟着小编一同学习一下:

 

 

早在19年前,美国国家宇航局就成立了一家专门生产气凝胶的公司,只要在宇航服里加入一层气凝胶,宇航员穿上它进行火星探险不在话下。

那么气凝胶是个啥东西,真有这么厉害吗?


2001年4月7日,美国向火星发射“奥德赛”号轨道飞行器,这次任务难度不大,但是探索成果突出,它的观测数据帮助科学家在火星上找到了水的存在。

这一发现让全世界兴奋起来,而美国也把载人登陆火星计划加紧筹划起来,但是登陆火星跟载人登月比起来简直是史诗级的难度。

要想把宇航员送上火星,首先就要给宇航服减重。

为了保障宇航员在外太空的安全,宇航服需要做到防辐射、供氧、热绝缘、抗低温、调节内部温度和提供标准大气压等功能,跟一个人形载人飞船差不多。所以宇航服制造难度大,造价非常昂贵,美国在阿波罗时代设计的月球宇航服,一套价值大约为14亿人民币。

除了贵就是笨重,这样一套航天服重达180斤,宇航员穿上它也就在月球上能走动,在地球上别说迈出“一小步”了,站起来都费劲。

原因就在月球的引力只有地球的六分之一,所以宇航员负重感并不强。而火星的引力大约是月球的两倍,这其中的差距就等于是负重30斤和负重60斤的区别。

所以宇航员穿登月宇航服,是没办法在火星上进行长时间的任务。

虽然火星的环境要比月球好太多,但空气稀薄辐射大,而且没有氧气,昼夜温差达到60度左右,所以宇航服要减重,还不能减少功能。

 

那么只能从材料入手给宇航服减重,美国科学家声称,宇航员将穿上用新型气凝胶宇航服进行火星探险,这种新型宇航服能承受1200度的高温和零下130度的低温。

气凝胶是一种乳白色的固体材料,内部空间呈纳米级网状孔隙结构,填充介质是空气,说白了就是固体物质包裹着一团特殊状态的空气。

热传导中导热系数最小的就是空气,再加上气凝胶内部的特殊结构,使导热性能进一步下降,所以它是绝佳的隔热材料,一块一厘米厚的气凝胶,相当于10块普通玻璃的隔热效果。

 

而且气凝胶密度低质量轻,目前最轻的气凝胶空气含量达99%以上,几乎跟空气的重量没有区别。

这些特殊结构的空气对阳光散射比较小,所以气凝胶在阳光下就像蓝色的烟雾,一阵风就能把它吹走。但是你绝对想不到,看似轻薄如烟的气凝胶,其实能承受自身质量几千倍的压力。

气凝胶的特性总结下来就是质量轻热绝缘抗压性能强,用气凝胶做宇航服,在保证安全性的前提下,还可以大幅度减重,提升宇航员的舒适度。

虽然气凝胶宇航服还没派上用场,美国火星探测器就已经成功登陆火星好几次,但是想要把人送上火星,起码还得等个10年以上。

 

要知道任何航天任务只要载人,任务难度直接翻几倍,在不考虑安全性的前提下,燃料就是个大问题。

阿波罗登月的运载火箭是土星五号,起飞重量就达到了3400吨,其中燃料就占到了90%。这还是登月计划,要是载人登陆火星,这点燃料是远远不够的。

虽然新型宇航服还派不上用场,但气凝胶凭着优异的隔热性能,已经走出了实验室被应用到各行各业,比如在航空航天和国防军工领域,气凝胶可以作为飞机机舱的隔热层,也可作为高温蒸汽锅炉系统的高效隔热材料。

 

此外,气凝胶也是各行各业的新材料,把它加入到其他金属或者纺织品等材料中,就如同有魔法一样,将这些传统材料全面加强。

比如气凝胶被压缩后会迅速恢复原状,加上内部的孔状结构,让其具有强大的吸附能力,可以作为理想的新型吸附材料,不但可以吸附油污、有毒气体,还可以吸附水中的铅、水银等重金属,可以用来治理水源污染等问题。

因其优异的热绝缘性能,不少厂家研制出一系列户外御寒用具,比如登山运动员的鞋垫和睡袋,高端化妆品行业也将气凝胶添加到面霜等护肤产品中。除此之外,气凝胶还被应用到化学、建筑工业、电池电力行业等各行各业。

国际顶尖权威学术杂志《科学》,曾罗列出可以改变世界的十大新材料,其中气凝胶独占10多项世界纪录,位居十大新材料之首

然而就这么一种神奇的新材料,它被发明出来源于一场赌约。1931年,美国教授奇德勒和同事打了个赌,看谁可以把果冻中的液体换成气体,并且还要保证固体状态。

果冻其实就是一种水凝胶,这是一种极为亲水的三维网络结构凝胶,能保持大量的水分而不溶解,含水量可以高达99%,使其弹性十足又能保持固态。

 

如何把这些水分替换成空气呢?教授先用酒精替换掉果冻里的水,然后把酒精果冻放入高压灭菌器里,加热到果冻内部酒精气化的临界点,酒精就会变成半液半气状态,专业术语叫“超临界流体”。

这时果冻的固体骨架察觉不到酒精在气化,也就是通常所说的“趁它不注意的时候”,让多余的气体逸出就得到了气凝胶。教授就是用这种方法制备了各种材质的气凝胶,并将研究结果发表在《自然》杂志上。

但不管气凝胶在后来多么有研究价值,它在问世之初并没有得到反响,甚至在之后的30年里,气凝胶的基础研究和实际应用都是处于停滞的状态,最多也就是当做牙膏的添加剂。

 

直到法国火箭专家在1970年的时候,为了制造火箭燃料存储材料,在奇德勒教授的研究基础上,改进了气凝胶制备方法,用甲醛代替酒精,制造出高质量的硅气凝胶,而且时间也快上不少。

这一次的技术改进让气凝胶走进实际应用,也让更多的人参与到研究当中。有了实验室、实验经费以及任务目标,气凝胶的研究在此后20多年里,搭上了发展的快列车。

作为科学界的常青树,美国依旧领先世界把气凝胶在航天领域运用到了极致。2006年,美国“星尘号”飞船飞回地球,还携带着人类获得的彗星星尘样品。

但要收集彗星星尘并不容易,它们不仅体积比沙子小,而且速度比子弹还快六倍,以此速度接触到其它物质时,都会使自身的分子机构发生改变,甚至被高温蒸发掉。而气凝胶可以完美解决这个问题,它就像一个棒球手套,可以有效削减星尘的速度,并让这些尘埃滞留在气凝胶内,科学家最后可以根据撞击轨迹找到这些彗星微粒。

 

1997年的时候,美国就首次把气凝胶用到了火星探测器上,从此气凝胶成为航空航天领域里不可替代的隔热材料。今年登陆火星的美国“毅力号”火星车也离不开气凝胶的保驾护航。

火星着陆器在进入火星大气层后,由于速度太快会和空气摩擦产生高温,内部精密仪器被高温破坏的话,着陆器很有可能变成一颗流星烧毁,或者失去控制像打水漂一样被弹出火星大气层。

所以隔热罩里面就添加了气凝胶,它优异的热绝缘性能可以有效保护内部的科学仪器,让着陆器安全抵达火星表面。而且由于火星的恶劣环境,火星车也需要一套定制的“宇航服”,因为超低温环境很可能让火星车“趴窝”。

 

比如我国的“祝融号”火星车采用的是低温纳米气凝胶材料,主要用于“祝融号”的表面,即使超低温度环境下火星车也可以正常工作,而且气凝胶的质量很轻,几乎不会增加火星车的载荷。

像这么能改变世界的新材料,世界各国都在加大力度研发生产。21世纪以来,气凝胶的研究主要集中在欧美和日本等国家,美国则是一家独大,全球气凝胶年产量不足10万立方米,但有65%都在美国。

我国气凝胶研发起步虽然比较晚,从90年代才开始投入研发,但是也突破了技术限制,祝融号火星车所使用的气凝胶,是由中国航天科工三院306所研发的。

 

而浙江大学的科研团队研制的超轻气凝胶,直接刷新了目前世界上最轻材料的纪录,它被称为“全碳气凝胶”,密度比氦气还低,仅为空气的17%,质量只有每立方厘米1.6毫克。

作为世界公认的十大新材料之首,气凝胶拥有无限广阔的应用前景,或许在不久的将来,我们就能住上安装有气凝胶墙面的房子,在冬天可以防止屋内热量流失,在夏天可以阻隔热气进入屋内。 

随着科学家们通过不断研发,提高气凝胶的性能和简化生产流程,相信这一天会很快到来!

 

 

 
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