空间探索用梯度密度气凝胶的合成与应用进展.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOf’auticaSinica。h怕2520”VoI．32No．6961．970ISSN1000—6893CN11—1929／VM=tp：∥hkxb．buaa．edu．cnhI‘xb@buaa．edu．cn文章编号：looO一6893(2011)06一0961一】O空间探索用梯度密度气凝胶的合成与应用进展杜艾，周斌*，钟艳红，李宇农，归佳寅，沈洋，沈军，吴广明同济大学上海市人工微结构材料与技术重点实验室，上海200092摘要：气凝胶是空间探索领域的关键功能材料。系统介绍了单一密度气凝胶和

2、梯度密度气凝胶材料的分类、合成方法、复合工艺、特殊性能及其在空间探索领域的应用。其中。梯度密度气凝胶材料的合成是国际上的技术难点，笔者结合自身研究将其复合方式分为早期方法、分层粘贴法、逐层凝胶法和梯度溶胶共凝胶法，揭示了梯度气凝胶应遵循由单位深度的低差异到高差异、由分层梯度到连续梯度(界面消除)，由低控制精度向高控制精度、由均匀梯度向任意设计梯度的发展规律；并基于梯度密度气凝胶在高速粒子捕获、高效保温隔热与切伦科夫探测等方面的特殊应用，对梯度气凝胶成分和特性(密度、折射率和热导率等)的梯度分布提供了功能化设计。关键词：梯度密度；气凝胶；

3、空间探索；功能材料；合成；应用中图分类号：V259；0648文献标识码：A气凝胶是一种具有多级分形三维网络的纳米多孔材料。这种特殊的结构使气凝胶以及类气凝胶材料具有很多独特的性能，如极低的密度、极低的热导率、极高的比表面积、极高的化学活性以及极广的密度、折射率与弹性模量变化范围等[1]，在储能、储氢、隔声、介电、压电、气敏、高容量锂电池、超级电容器、高效催化、高效隔热保温、惯性约束聚变、高能物理、高效吸附以及药物缓释等方面有广阔的应用前景口‘4]。气凝胶从外观上可以分为粉体、薄膜和块体气凝胶，其中块体气凝胶的一些性质十分特殊，非常适合空

4、间探索领域的应用。单一密度的块体气凝胶已经成功应用于火星车和低温流体容器的隔热装置中，而梯度密度块体气凝胶材料则由于其复合的物理性质(密度相关量)在空间高速粒子的捕获装置中有独特的应用，并有望应用于高效隔热和高分辨率宇宙射线检测中[5_6]。单一密度气凝胶材料的研究是梯度密度气凝胶研究的基础。梯度密度气凝胶的合成结合了单一密度气凝胶的合成思路与特殊复合工艺，其物理性质也基于单一密度气凝胶材料物性的复合。本文拟从单一密度气凝胶的合成方法、性能与应用出发，重点介绍梯度密度气凝胶的复合工艺、性能及其在空间探索领域的应用，并讨论该技术的前景。1

5、单一密度气凝胶材料通常合成的气凝胶都是单一密度的材料。直接从成分上来区分，单一密度气凝胶则可以分为氧化物气凝胶、有机／碳气凝胶、硫族气凝胶和其他种类气凝胶等邙]，其中氧化物气凝胶中的二氧化硅气凝胶和有机／碳气凝胶合成工艺简单，微结收稿日期：2010-09-26；退修日期：2010—11-22：录用日期：2011-01-06；网络出版时间：20”_03·3013：05：04网络出版地址：www．∞ki帕t／kcms／detail／11．1929．V．20110330．1305．002，胁IDOI：CNKl：11·1929／V．201103

6、30．1305002基金项目：国家“863”计划；国家自然科学基金(50802064，11074189)；国家科技支捧计划(2009BAC62即2)；新世纪优秀人才支持计划(NcET-08-0405)；上海市纳米专项(0952nm00900，0952nm00700)*通讯作者．Tel．：021_65980228E帕iI：zhoubin863@tonQme由．∞萼

7、焉格武I杜艾．周斌．钟艳红．簪．空阚探索甩梯庹密度气凝欣的合成与应用透晨[J]．航空学报，2011，32(6)：961-970．DuAI。ZhouBin'zhongyan晒崦．

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9、．Progress{npreDarationandappIIcationo

10、de∞ny．伊adedaefogeIsfofspace锻pIo伯tIonLJj．ActaAer∞auticaetAstro憾ut{c8s．niGa．20，1．32(6)；961．970．航空学报JIf怕252011VoI．32No．6构控制研究成熟，性能优异，其特点在于：①力学性能相对于其他气凝胶更加优异，成型性更好，不易被破坏；②高温一低温范围适应性强，能应对空间探索时可能出现的低温或高温环境；③压力忍耐性强，能适应材料工作时可能面对的高压或者真空环境

11、；④抗辐射能力强，可在多种辐射环境下稳定的工作。这些优良的性质，将有利于气凝胶在空间探索方面的应用。1．1单一密度气凝胶的合成方法气凝胶的合成一般包括溶胶凝胶法获得湿凝胶和湿凝胶的干燥两个主要过程，其中溶胶