气凝胶：更薄、更轻、更强

气凝胶：更薄、更轻、更强

想象一下准备一碗甜的明胶甜点的情景。明胶粉末与热水混合，然后在冰箱中冷却，直到凝固。现在是凝胶了。如果把这个摇摇晃晃的凝胶放在烤箱里，所有的水分都干涸了，剩下的就是一堆粉末。

但是想象一下，如果干燥的明胶保持它的形状，即使是在液体被移除之后。凝胶的结构将保持不变，但由于密度低，它会非常轻。这正是气凝胶的制作方法。

气凝胶是人类已知的最轻的固体材料之一。它们是由聚合物和溶剂结合形成凝胶，然后从凝胶中取出液体，用空气代替。气凝胶非常多孔，密度很低。他们是坚实的触觉。这种半透明材料被认为是最好的绝缘材料之一。

虽然气凝胶最早是在20世纪30年代发明的，但美国宇航局位于克利夫兰的格伦研究中心发明了一种突破性的方法来制造新型气凝胶，从而改变我们对绝缘的看法。

气凝胶多孔材料

自发明以来，气凝胶主要由二氧化硅制成。二氧化硅与溶剂结合形成凝胶。这种凝胶然后接受超临界流体萃取。这种超临界流体萃取涉及到在凝胶中引入液态二氧化碳。二氧化碳超过了它的超临界点，在那里它可以是气体，也可以是液体，然后被排出。这种交换是多次进行的，以确保所有液体都从凝胶中去除。产生的材料是气凝胶。

这是使气凝胶有别于其他多孔材料的关键一步，”Glenn的化学工程师和气凝胶团队负责人玛丽·安·梅多尔(MaryAnnMeador)说。“保持凝胶结构是最重要的。”

气凝胶提供非常有效的绝缘，因为它们是非常多孔和孔隙在纳米范围内。人的眼睛看不到纳米孔。这些孔隙的存在使气凝胶非常擅长绝缘。

“毛孔太小了，气相热传导很差，”梅多尔说。“空气中的分子不能通过气凝胶传播，因此这种物质的传热能力很差。”

传统的硅基气凝胶已经被成功地应用于许多应用，例如在火星探测器上提供绝缘。它们也被用于许多商业产品。当气凝胶被用于商业用途时，它们通常以球团状或与其他材料复合的形式存在。气凝胶已与打击结合，以创造绝缘的“毯子”，以及填补之间的玻璃，以创造半透明的面板，用于日光灯的应用。

硅基气凝胶是非常轻的，因为它们是95%的多孔。二氧化硅气凝胶非常有用，但它们也有局限性--它们非常脆弱。

气凝胶创新

美国国家航空航天局(NASA)与业界合作伙伴一起，对多种用途的不同类型气凝胶的使用情况进行了调查。在NASA基础航空计划(HyPersonics和亚音速固定翼项目)和探索系统任务管理局的资助下，NASA的Glenn研究中心开发了两种革新气凝胶技术的尖端方法。

第一个创新是用聚合物增强气凝胶的方法。当凝胶与聚合物反应时，这种方法改变了凝胶的表面。结果表明，气凝胶的内表面形成了一层较薄的聚合物，大大增强了气凝胶的性能。

“如果你将一种聚合物增强硅胶和同样密度的硅胶进行比较，聚合物增强气凝胶的强度大约要高两个数量级，”梅多尔说。

这些聚合物增强气凝胶具有与典型气凝胶相同的绝缘性能，而且可以是半透明的.它们具有相同的硅质气凝胶的优点，而且不那么脆弱。Glenn团队使用他们的专利方法创造了许多不同的气凝胶，这些气凝胶具有不同的聚合物特性。格伦还与马萨诸塞州诺斯伯勒的阿斯彭气凝胶合作。制造一种聚合物增强气凝胶，与纤维结合，制造出一种新产品。

第二个创新是一种完全由聚合物制成气凝胶的方法。这些聚合物基气凝胶是非常强大和灵活的。它们也可以制成可弯曲的薄膜。

飞行中的气凝胶

格伦团队目前正在进行一个名为“高超音速充气气动力加速器”(HIAD)的NASA项目。HIAD是一种充气再入飞行器，折叠后存放在运载火箭内。在进入大气层之前，HIAD被充气并变得僵硬。这有助于航天器减速，安全降落，并降落在地球，火星，或任何其他有大气层的行星上。

HIAD使更大的质量能够更慢、更安全地通过大气层，并减少车辆所受的热量。HIAD由一个灵活的热保护系统覆盖，该系统使用气凝胶作为绝缘体来保护有效载荷。

薄膜聚合物气凝胶非常适合HIAD的需要.HIAD(由基础航空计划的HyPersonics项目资助)定于2012年进行飞行测试。一个重要组成部分将是灵活的热保护系统(由HyPersonics项目和NASA首席技术专家领导下的空间技术方案供资)。柔性热防护系统使用由Aspen气凝胶制造的基线气凝胶绝缘毯。随后的测试可能包括新的薄膜聚合物基气凝胶，作为对基线绝缘的改进。

梅多尔说：“这个项目希望气凝胶更灵活、更可折叠、不含灰尘、不会脱落绝缘颗粒，因此它不会造成危害，也不会造成麻烦。为此，我们开始研究不同的聚合物和技术，它们可以使这种气凝胶更加灵活。”

研究小组确定，由于气凝胶中含有二氧化硅，气凝胶不能灵活，因此他们开始探索用聚合物完全制造气凝胶的方法。他们开发了一种方法来制造聚合物基气凝胶，这种气凝胶是完全灵活的，并且可以制成一种非常薄的薄膜--这是以前没有的能力。即使在高温下，这些气凝胶也是稳定的。

聚合物气凝胶的孔隙率为85~95%，与传统气凝胶具有相同的优点.它的重量一样轻，具有与硅基气凝胶相同的导热性能。但是这些气凝胶提供了前所未有的灵活性，以及它们的耐用性和强度，以及被制成薄膜的能力。

“当我们确定它可以制成一种柔性薄膜时，我感到非常惊讶，”梅多尔说。“这是一个‘哇’的时刻！这比我们预期的要好。”

气凝胶应用

这些薄膜是通过与俄亥俄州阿克伦大学(UniversityofAkron)合作制作的。这些薄膜还被送到了其他政府机构和美国宇航局(NASA)的中心，这些中心吸引了人们对这项技术的兴趣。

“通常当人们看到他们时，他们会说‘哇，这是气凝胶？’”梅多尔说。

美国宇航局的其他中心已表示有兴趣进一步探索这些薄薄的聚合物气凝胶，用于低温技术或下一套太空服的应用。聚合物气凝胶非常适合在真空中使用，如在太空中，以及在不同的重力情况下，如月球或其他行星。

政府机构也有兴趣探索薄聚合物气凝胶的应用，如隔热帐篷。工业也引起了人们的注意，在制冷、建筑和建筑、更新历史结构和许多其他绝缘需求方面，特别是在空间不多、需要更小、更有效的绝缘材料的情况下，可能会有应用。

气凝胶与未来

聚合物增强气凝胶和聚合物气凝胶在太空、遥远的行星和我们自己的地球上都有许多潜在的应用。它们重量轻，经久耐用，在绝缘和防止传热方面非常有效。美国宇航局已经将气凝胶提升到了一个更高的水平，超出了以前的想象，并且发现了这种多才多艺的材料的可能性世界。

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