气凝胶——高超声速飞行器未来的“防火服”

杨海龙+吴文军+徐云辉+李俊宁+胡子君

摘 要 高超声速飞行器是各军事强国21世纪竞相发展的重要战略武器装备，当它执行任务时将与周围空气发生剧烈摩擦，由此产生相当多的热量，其表面温度高达上千摄氏度。具有优异隔热性能的气凝胶有望作为高超声速飞行器未来的“防火服”，以保证飞行器主体结构及内部仪器设备的安全。文章介绍了气凝胶的结构与隔热性能、制备原理以及其传热机理。

关键词 气凝胶；隔热；高超声速飞行器

中图分类号 F4 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）172-0196-03

高超声速飞行器[1-3]具有高超声速巡航、快速机动反应、可靠性高和低维护成本等特点，是各军事强国在21世纪竞相发展的重要战略武器装备。当执行任务时，它将在临近空间以极高的速度飞行和再入，势必与周围空气发生剧烈摩擦而产生相当多的热量，其表面温度将高达上千摄氏度。为保证飞行器主体结构及内部仪器设备的安全，必须想方设法对其进行“保冷”或“降温”。其中，最重要的手段就是采用低热导率的材料阻止外部热量向其内部传递，并且热导率越低效果越好。这种低热导率的材料被称为“隔热材料”或“保温材料”。顾名思义，这种材料的作用就是阻滞热流传递，与绝缘材料阻滞电流类似。玻璃纤维、岩棉、石棉、聚氨酯泡沫等是工业上较为常用的隔热材料，冬季用于防寒保暖的羽绒服内部充填的羽绒是我们日常生活中最为常见的隔热材料。

目前，热导率最低的材料当属超级隔热材料。超级隔热材料是指热导率在同温度下低于静止空气的一类隔热材料，主要有两种，一种是真空超级隔热材料[4-6]，另一种是纳米孔超级隔热材料[7-9]。真空超级隔热材料主要依靠其内部较低的真空度来实现低热导率，其隔热原理类似于我们日常生活中常用的“保温杯”，只不过其真空腔不是由不锈钢等金属制造的，而是由有机膜构成的，因此不能够耐受高温，比较适合在较低的温度环境下使用；纳米孔超级隔热材料则主要依靠自身纳米大小的孔隙结构来实现低热导率，因此可以在高温环境下使用，更加适用于高超声速飞行器。其中，气凝胶[10-12]就是一种典型的纳米孔超级隔热材料。

1 气凝胶的结构与隔热性能

气凝胶是一种以纳米粒子或高聚物分子相互聚集形成的超低密度轻质多孔性固体材料，以纳米多孔网络结构为骨架，气体填充在多孔网络结构中，其孔隙直径介于1～100nm。简单来说，气凝胶的结构类似于“海绵”，只不过孔洞的大小要比“海绵”小上万倍，因此只凭肉眼是看不到孔洞的，只能借助电子显微镜放大几万倍才能进行观测。它被认为是当今世界上热导率最低的固体材料，比如以SiO2为成分的气凝胶室温热导率仅为0.013W/m？K）[13]，而空气的热导率为0.026W/m？K），仅是一般隔热材料热导率的几分之一甚至几十分之一，隔热性能十分突出，如图1所示，在上千摄氏度的喷灯加热下，仅凭几毫米的气凝胶，就能够保障上边火柴不会因受热而燃烧。

2 气凝胶的制备原理

气凝胶的制备一般采用溶胶-凝胶方法。溶胶-凝胶法就是采用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶胶粒间缓慢聚合、胶粒长大，形成三维空间网络结构的凝胶，整个过程如图2所示。可以想象为，液体中的化合物经复杂的化学反应产生许多纳米大小的颗粒，而后颗粒与颗粒之间依靠化学健相互“粘结”在一起。

3 气凝胶的传热机理

在多孔材料中，热量的传输主要有四个途径，即固体导热、气体导热、气体对流传热以及辐射传热。由于气凝胶具有纳米孔隙结构，因此其传热机理与传统的多孔隔热材料有所不同，如表1所示。

固体导热是材料内部微观粒子的热运动产生的热量传递。与一般的隔热材料相比，由于气凝胶的骨架颗粒直径小，导致颗粒之间的接触面积也很小，热量传递通路复杂。形象地来讲，固体导热在一般隔热材料中可以说走的是平坦顺畅的“高速公路”，而在气凝胶中走的是曲曲折折的“羊肠小道”。因此，固体导热很小。

气体导热是孔隙内气体分子相互碰撞产生的热量传递。由于气凝胶的孔隙直径非常小，小到比气体分子的平均自由程还小，大部分气体分子只能与固体骨架进行弹性碰撞（依据弹性碰撞原理可知，这种碰撞无能量交换），而气体分子之间碰撞的几率则很小，气体导热由此受到了极大的限制。在这里，气体分子的平均自由程是指大量分子自由程的平均值，而气体分子的自由程是指一个气体分子与其他气体分子相继两次碰撞之间，经过的直线路程。在自由空间或者一般隔热材料孔隙内，每个分子在运动过程中总是能够和其他气体分子发生碰撞来传递热量，就像是分子与分子之间通过不断的“接力”来实现热量“搬运”的。但是，在气凝胶孔隙内的气体分子则有所不同，气体分子在运动中还未与其他气体分子接触，在半路就与气凝胶骨架发生了碰撞，气体分子之间难以实现“接力”，所以热量传递受限。

气体对流传热是通过气体宏观运动来实现热量交换的。在多孔材料中，气体通常被分隔或封闭在无数微小空间内，气体宏观流动如同被无数“大坝”或“隔断”所阻挡，所以气体对流传热量很小。研究结果表明[ 1 5 ]，当气孔尺寸小于4mm时，气体对流传热量就可以忽略不计了。气凝胶孔隙直径均在纳米量级，也就是说它的孔隙至少要比4mm小几万倍，因此其内部的空气分子受到束缚，类似于“静止”状态，对流传热为零。

辐射传热是依靠电磁波辐射实现冷热物体间热量传递的过程，属于一种非接触式的传热方式，就像广播电台的无线电信号一样，不依赖于任何物体，即使在真空中也能实现热量的传递。如果两物体的温度不同，则辐射传热的结果是由高温物体将热量传递给低温物体。一般来说，当一物体受到热辐射时，热量将被它吸收、反射或透过。由于气凝胶固体骨架在纳米量级，因此其内部形成了极多的反射面和反射颗粒，能够将辐射热量反射回去，有效降低辐射传热。此外，还可以通过添加红外遮光剂（如碳黑，TiO2等）的方法来进一步减少辐射热量。红外遮光剂是一种有效吸收红外线和防止红外线穿透材料的物质。我们日常生活中使用的防晒霜就含有遮光剂，只不过这里面添加的遮光剂是一种可以吸收紫外线和防止紫外线穿透的材料（如ZnO2、TiO2），能有效防止紫外线对皮肤的损伤。

4 结语

综上所述，气凝胶的传热包含了固体导热、气体导热和辐射传热3部分，并且由于气凝胶独特的纳米网络结构，使得这3种传热方式的传热量均达到了极低值。因此，气凝胶有望作为高超声速飞行器的“防火服”，使其飞行更加安全、更加可靠。

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