氣凝膠——高超聲速飛行器未來的“防火服”

楊海龍+吳文軍+徐云輝+李俊寧+胡子君

摘 要 高超聲速飛行器是各軍事強(qiáng)國21世紀(jì)競相發(fā)展的重要戰(zhàn)略武器裝備，當(dāng)它執(zhí)行任務(wù)時將與周圍空氣發(fā)生劇烈摩擦，由此產(chǎn)生相當(dāng)多的熱量，其表面溫度高達(dá)上千攝氏度。具有優(yōu)異隔熱性能的氣凝膠有望作為高超聲速飛行器未來的“防火服”，以保證飛行器主體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部儀器設(shè)備的安全。文章介紹了氣凝膠的結(jié)構(gòu)與隔熱性能、制備原理以及其傳熱機(jī)理。

關(guān)鍵詞 氣凝膠；隔熱；高超聲速飛行器

中圖分類號 F4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0196-03

高超聲速飛行器[1-3]具有高超聲速巡航、快速機(jī)動反應(yīng)、可靠性高和低維護(hù)成本等特點，是各軍事強(qiáng)國在21世紀(jì)競相發(fā)展的重要戰(zhàn)略武器裝備。當(dāng)執(zhí)行任務(wù)時，它將在臨近空間以極高的速度飛行和再入，勢必與周圍空氣發(fā)生劇烈摩擦而產(chǎn)生相當(dāng)多的熱量，其表面溫度將高達(dá)上千攝氏度。為保證飛行器主體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部儀器設(shè)備的安全，必須想方設(shè)法對其進(jìn)行“保冷”或“降溫”。其中，最重要的手段就是采用低熱導(dǎo)率的材料阻止外部熱量向其內(nèi)部傳遞，并且熱導(dǎo)率越低效果越好。這種低熱導(dǎo)率的材料被稱為“隔熱材料”或“保溫材料”。顧名思義，這種材料的作用就是阻滯熱流傳遞，與絕緣材料阻滯電流類似。玻璃纖維、巖棉、石棉、聚氨酯泡沫等是工業(yè)上較為常用的隔熱材料，冬季用于防寒保暖的羽絨服內(nèi)部充填的羽絨是我們?nèi)粘Ｉ钪凶顬槌Ｒ姷母魺岵牧稀?/p>

目前，熱導(dǎo)率最低的材料當(dāng)屬超級隔熱材料。超級隔熱材料是指熱導(dǎo)率在同溫度下低于靜止空氣的一類隔熱材料，主要有兩種，一種是真空超級隔熱材料[4-6]，另一種是納米孔超級隔熱材料[7-9]。真空超級隔熱材料主要依靠其內(nèi)部較低的真空度來實現(xiàn)低熱導(dǎo)率，其隔熱原理類似于我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫摹氨乇?，只不過其真空腔不是由不銹鋼等金屬制造的，而是由有機(jī)膜構(gòu)成的，因此不能夠耐受高溫，比較適合在較低的溫度環(huán)境下使用；納米孔超級隔熱材料則主要依靠自身納米大小的孔隙結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)低熱導(dǎo)率，因此可以在高溫環(huán)境下使用，更加適用于高超聲速飛行器。其中，氣凝膠[10-12]就是一種典型的納米孔超級隔熱材料。

1 氣凝膠的結(jié)構(gòu)與隔熱性能

氣凝膠是一種以納米粒子或高聚物分子相互聚集形成的超低密度輕質(zhì)多孔性固體材料，以納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為骨架，氣體填充在多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，其孔隙直徑介于1～100nm。簡單來說，氣凝膠的結(jié)構(gòu)類似于“海綿”，只不過孔洞的大小要比“海綿”小上萬倍，因此只憑肉眼是看不到孔洞的，只能借助電子顯微鏡放大幾萬倍才能進(jìn)行觀測。它被認(rèn)為是當(dāng)今世界上熱導(dǎo)率最低的固體材料，比如以SiO2為成分的氣凝膠室溫?zé)釋?dǎo)率僅為0.013W/m？K）[13]，而空氣的熱導(dǎo)率為0.026W/m？K），僅是一般隔熱材料熱導(dǎo)率的幾分之一甚至幾十分之一，隔熱性能十分突出，如圖1所示，在上千攝氏度的噴燈加熱下，僅憑幾毫米的氣凝膠，就能夠保障上邊火柴不會因受熱而燃燒。

2 氣凝膠的制備原理

氣凝膠的制備一般采用溶膠-凝膠方法。溶膠-凝膠法就是采用含高化學(xué)活性組分的化合物作前驅(qū)體，在液相下將這些原料均勻混合，并進(jìn)行水解、縮合化學(xué)反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠膠粒間緩慢聚合、膠粒長大，形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，整個過程如圖2所示?？梢韵胂鬄椋后w中的化合物經(jīng)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生許多納米大小的顆粒，而后顆粒與顆粒之間依靠化學(xué)健相互“粘結(jié)”在一起。

3 氣凝膠的傳熱機(jī)理

在多孔材料中，熱量的傳輸主要有四個途徑，即固體導(dǎo)熱、氣體導(dǎo)熱、氣體對流傳熱以及輻射傳熱。由于氣凝膠具有納米孔隙結(jié)構(gòu)，因此其傳熱機(jī)理與傳統(tǒng)的多孔隔熱材料有所不同，如表1所示。

固體導(dǎo)熱是材料內(nèi)部微觀粒子的熱運動產(chǎn)生的熱量傳遞。與一般的隔熱材料相比，由于氣凝膠的骨架顆粒直徑小，導(dǎo)致顆粒之間的接觸面積也很小，熱量傳遞通路復(fù)雜。形象地來講，固體導(dǎo)熱在一般隔熱材料中可以說走的是平坦順暢的“高速公路”，而在氣凝膠中走的是曲曲折折的“羊腸小道”。因此，固體導(dǎo)熱很小。

氣體導(dǎo)熱是孔隙內(nèi)氣體分子相互碰撞產(chǎn)生的熱量傳遞。由于氣凝膠的孔隙直徑非常小，小到比氣體分子的平均自由程還小，大部分氣體分子只能與固體骨架進(jìn)行彈性碰撞（依據(jù)彈性碰撞原理可知，這種碰撞無能量交換），而氣體分子之間碰撞的幾率則很小，氣體導(dǎo)熱由此受到了極大的限制。在這里，氣體分子的平均自由程是指大量分子自由程的平均值，而氣體分子的自由程是指一個氣體分子與其他氣體分子相繼兩次碰撞之間，經(jīng)過的直線路程。在自由空間或者一般隔熱材料孔隙內(nèi)，每個分子在運動過程中總是能夠和其他氣體分子發(fā)生碰撞來傳遞熱量，就像是分子與分子之間通過不斷的“接力”來實現(xiàn)熱量“搬運”的。但是，在氣凝膠孔隙內(nèi)的氣體分子則有所不同，氣體分子在運動中還未與其他氣體分子接觸，在半路就與氣凝膠骨架發(fā)生了碰撞，氣體分子之間難以實現(xiàn)“接力”，所以熱量傳遞受限。

氣體對流傳熱是通過氣體宏觀運動來實現(xiàn)熱量交換的。在多孔材料中，氣體通常被分隔或封閉在無數(shù)微小空間內(nèi)，氣體宏觀流動如同被無數(shù)“大壩”或“隔斷”所阻擋，所以氣體對流傳熱量很小。研究結(jié)果表明[ 1 5 ]，當(dāng)氣孔尺寸小于4mm時，氣體對流傳熱量就可以忽略不計了。氣凝膠孔隙直徑均在納米量級，也就是說它的孔隙至少要比4mm小幾萬倍，因此其內(nèi)部的空氣分子受到束縛，類似于“靜止”狀態(tài)，對流傳熱為零。

輻射傳熱是依靠電磁波輻射實現(xiàn)冷熱物體間熱量傳遞的過程，屬于一種非接觸式的傳熱方式，就像廣播電臺的無線電信號一樣，不依賴于任何物體，即使在真空中也能實現(xiàn)熱量的傳遞。如果兩物體的溫度不同，則輻射傳熱的結(jié)果是由高溫物體將熱量傳遞給低溫物體。一般來說，當(dāng)一物體受到熱輻射時，熱量將被它吸收、反射或透過。由于氣凝膠固體骨架在納米量級，因此其內(nèi)部形成了極多的反射面和反射顆粒，能夠?qū)⑤椛錈崃糠瓷浠厝?，有效降低輻射傳熱。此外，還可以通過添加紅外遮光劑（如碳黑，TiO2等）的方法來進(jìn)一步減少輻射熱量。紅外遮光劑是一種有效吸收紅外線和防止紅外線穿透材料的物質(zhì)。我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫姆罆袼秃姓诠鈩?，只不過這里面添加的遮光劑是一種可以吸收紫外線和防止紫外線穿透的材料（如ZnO2、TiO2），能有效防止紫外線對皮膚的損傷。

4 結(jié)語

綜上所述，氣凝膠的傳熱包含了固體導(dǎo)熱、氣體導(dǎo)熱和輻射傳熱3部分，并且由于氣凝膠獨特的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得這3種傳熱方式的傳熱量均達(dá)到了極低值。因此，氣凝膠有望作為高超聲速飛行器的“防火服”，使其飛行更加安全、更加可靠。

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