在中國(guó)航天科工三院306所，科研人員演示了氣凝膠材料，這種材料已經(jīng)應(yīng)用在數(shù)億公里外繞火星飛行的天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器上，為其火星著陸起到了很好的保駕護(hù)航作用。
扛熱1000℃，受冷-130℃
我國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器一次性完成“繞”“落”“巡”的火星探測(cè)任務(wù)，在“落”和“巡”兩個(gè)階段，都會(huì)用到306所研發(fā)的氣凝膠材料。
“天問(wèn)一號(hào)”上一共應(yīng)用了兩種氣凝膠材料，分別用來(lái)應(yīng)對(duì)“極熱”和“極寒”。306所副所長(zhǎng)張昊介紹，“極熱”考驗(yàn)出現(xiàn)在火星著陸階段，著陸發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量使周?chē)臏囟瘸^(guò)1000℃，隔熱組件能夠阻隔高溫，僅10mm左右的材料就能夠在整個(gè)著陸過(guò)程讓它身后的溫度保持在可接受的范圍?！皹O寒”考驗(yàn)出現(xiàn)在火星巡視階段，設(shè)計(jì)師在火星車(chē)的表面鋪設(shè)了大面積的氣凝膠板，能夠確?；鹦擒?chē)在-130℃的環(huán)境正常工作。
進(jìn)入外太空的物品，重量要以“克”記，航天器“減重”更是永恒話題。為了給火星車(chē)減負(fù)，讓它輕裝上路，306所為火星車(chē)提供的是超低密度的氣凝膠。設(shè)計(jì)師介紹，其密度低到每立方厘米只有15毫克，同等體積下，重量只有鋼的1/500，鋁的1/180，水的1/60。
此前，306所研發(fā)的一種氣凝膠已成功應(yīng)用于長(zhǎng)征五號(hào)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。“選擇這種材料，一是因?yàn)樗诿芏?、耐溫性能和隔熱性能等方面有先天的?yōu)勢(shì)；二是它能夠通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)性能的差異化，把某一方面的性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步發(fā)揮到極致，護(hù)送‘天問(wèn)一號(hào)’順利探火?！睆堦徽f(shuō)。
嘗試上百種配方，“配”出氣凝膠
2014年，306所團(tuán)隊(duì)了解到了火星探測(cè)關(guān)于熱防護(hù)的需求，開(kāi)始為參與“探火”準(zhǔn)備起來(lái)。
天問(wèn)一號(hào)上使用的兩種氣凝膠材料對(duì)性能的要求極為苛刻又各不相同。它們的化學(xué)成分都是二氧化硅，和水晶一樣。用到火星探測(cè)的氣凝膠，除了要有優(yōu)良的隔熱性能，保護(hù)航天器上的產(chǎn)品，自身還要能抗熱，“落”階段要能夠耐受上千攝氏度的高溫，“巡”階段用到的隔熱板，要求氣凝膠密度小于水晶的1%。不可謂不難。
團(tuán)隊(duì)首先按照微觀結(jié)構(gòu)決定宏觀性能的科學(xué)規(guī)律去確定氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)，通俗講就是要知道到底長(zhǎng)成什么樣的氣凝膠耐溫性更好，長(zhǎng)成什么樣的氣凝膠才能有超低的密度。找到答案后，第二步是通過(guò)配方設(shè)計(jì)、制備工藝優(yōu)化和參數(shù)控制來(lái)把想要的微觀結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實(shí)世界中呈現(xiàn)出來(lái)。為此，團(tuán)隊(duì)嘗試了上百種配方，把幾十個(gè)工藝參數(shù)化整為零，開(kāi)展了四大類(lèi)總共98項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)，終于讓用于探火的氣凝膠誕生了。
“天問(wèn)一號(hào)”的火星著陸非常成功，306所氣凝膠設(shè)計(jì)師們?cè)诔晒β浠鸷?，正在根?jù)總體單位反饋的回傳數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析，用于指導(dǎo)后續(xù)材料的性能優(yōu)化。
“天問(wèn)”“天舟”“長(zhǎng)五”能用，老百姓也能用
除了火星探測(cè)，306所的氣凝膠材料已經(jīng)接二連三在國(guó)家重大任務(wù)中現(xiàn)身。在長(zhǎng)征五號(hào)系列運(yùn)載火箭上，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀到y(tǒng)的隔熱；在“天舟一號(hào)”任務(wù)中，氣凝膠做成的真空隔熱板安裝在低溫鎖柜中，造出了飛船中的超級(jí)冰箱。今年，該所的氣凝膠產(chǎn)品還將參與到空間站搭建和運(yùn)行中。
可喜的是，基于氣凝膠材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展也漸成規(guī)模，自帶“高端”光環(huán)的氣凝膠材料開(kāi)始走向千家萬(wàn)戶。早在多年前，306所先進(jìn)隔熱保溫材料團(tuán)隊(duì)已整體入駐孵化出的產(chǎn)業(yè)公司，并建成投產(chǎn)了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)單線最大的4500L氣凝膠生產(chǎn)線。
當(dāng)前，該所正在開(kāi)展研究，計(jì)劃將用于“天舟一號(hào)”低溫鎖柜的真空氣凝膠隔熱板用在超級(jí)節(jié)能冰箱上，還布局了高性能氣凝膠在防火裝備、管道保溫、建筑節(jié)能等領(lǐng)域的發(fā)展路線。根據(jù)最新數(shù)據(jù)，該所2020年提供的氣凝膠材料已經(jīng)占到新能源汽車(chē)市場(chǎng)整體氣凝膠材料需求的20%左右。
