在中國航天科工三院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一號探測器上，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“天問一號”火星探測器一次性完成“繞”“落”“巡”的火星探測任務(wù)，在“落”和“巡”兩個階段，都會用到306所研發(fā)的氣凝膠材料。
“天問一號”上一共應(yīng)用了兩種氣凝膠材料，分別用來應(yīng)對“極熱”和“極寒”。306所副所長張昊介紹，“極熱”考驗出現(xiàn)在火星著陸階段，著陸發(fā)動機產(chǎn)生的熱量使周圍的溫度超過1000℃，隔熱組件能夠阻隔高溫，僅10mm左右的材料就能夠在整個著陸過程讓它身后的溫度保持在可接受的范圍?！皹O寒”考驗出現(xiàn)在火星巡視階段，設(shè)計師在火星車的表面鋪設(shè)了大面積的氣凝膠板，能夠確?；鹦擒囋?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。為了給火星車減負(fù)，讓它輕裝上路，306所為火星車提供的是超低密度的氣凝膠。設(shè)計師介紹，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)用于長征五號火箭發(fā)動機。“選擇這種材料，一是因為它在密度、耐溫性能和隔熱性能等方面有先天的優(yōu)勢；二是它能夠通過微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控，實現(xiàn)性能的差異化，把某一方面的性能優(yōu)勢進(jìn)一步發(fā)揮到極致，護(hù)送‘天問一號’順利探火?！睆堦徽f。
嘗試上百種配方，“配”出氣凝膠
2014年，306所團(tuán)隊了解到了火星探測關(guān)于熱防護(hù)的需求，開始為參與“探火”準(zhǔn)備起來。
天問一號上使用的兩種氣凝膠材料對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成什么樣的氣凝膠耐溫性更好，長成什么樣的氣凝膠才能有超低的密度。找到答案后，第二步是通過配方設(shè)計、制備工藝優(yōu)化和參數(shù)控制來把想要的微觀結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實世界中呈現(xiàn)出來。為此，團(tuán)隊嘗試了上百種配方，把幾十個工藝參數(shù)化整為零，開展了四大類總共98項驗證試驗，終于讓用于探火的氣凝膠誕生了。
“天問一號”的火星著陸非常成功，306所氣凝膠設(shè)計師們在成功落火后，正在根據(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”“天舟”“長五”能用，老百姓也能用
除了火星探測，306所的氣凝膠材料已經(jīng)接二連三在國家重大任務(wù)中現(xiàn)身。在長征五號系列運載火箭上，主要用于發(fā)動機燃?xì)庀到y(tǒng)的隔熱；在“天舟一號”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)的氣凝膠材料開始走向千家萬戶。早在多年前，306所先進(jìn)隔熱保溫材料團(tuán)隊已整體入駐孵化出的產(chǎn)業(yè)公司，并建成投產(chǎn)了當(dāng)時國內(nèi)單線最大的4500L氣凝膠生產(chǎn)線。
當(dāng)前，該所正在開展研究，計劃將用于“天舟一號”低溫鎖柜的真空氣凝膠隔熱板用在超級節(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)占到新能源汽車市場整體氣凝膠材料需求的20%左右。
