神奇的隔热材料——气凝胶

发布时间：2016-02-02  字号： 大 中 小

自1975年以来，美国已成功对火星表面执行了7次探测使命，即“海盗”一号与“海盗”二号火星探测器、火星探路者、火星漫游者、凤凰号着陆器和火星科学实验室。从火星探路者到火星实验室，美国历经三代巡视器，分别为火星探路者“索杰纳”巡视器、“勇气”号与“机遇”号巡视器和“好奇”号巡视器。

可是，火星表面的温度比地球低得多，最低温度约为-123℃。在这样的低温环境中，探测器如何解决保温问题呢？

海盗号着陆器热控系统对舱内设备进行等温化集中热控，所有舱内设备安装在中心舱内的设备板上，采用玻璃纤维隔热层进行隔热，形成舱内设备与舱外环境间的热隔离。

“索杰纳”火星车的热控系统采用集中布置、统一热管理的设计。所有舱内设备集中安装在电子暖箱（WEB）内，电子暖箱外部包覆纳米气凝胶和玻璃纤维板，实现电子暖箱与外界环境的热隔离。

火星漫游者也采用了如图所示的保温结构，在结构板上使用了气凝胶。

可是多层隔热组件只有在真空中才具备良好的隔热性能，火星表面800Pa左右的二氧化碳气体环境中，它的隔热效果就丧失了。这就是火星车采用气凝胶隔热的原因。

那么，气凝胶有什么神奇之处呢？

首先是隔热性能好。用于绝热的聚四氟乙烯的导热系数为0.27W/mK，而纳米气凝胶的导热系数一般为0.02W/mK，仅为聚四氟乙烯的1/13。这是因为在大气环境下小间隙滞止了CO2气体，让对流换热发展不起来，气凝胶的微观结构比较薄，传热路径长，降低了热传导能力。因此气凝胶被称为神奇的隔热材料。

其次是重量轻。铁的密度是7.8×103kg/m3，也就是说1立方米的铁，重量达到7.8吨；空气的密度是1.29kg/m3，也就是说1立方米的空气，重量为1.29公斤。而气凝胶的密度是15kg/m3，大约是空气的12倍，气凝胶生产过程中凝胶中的液体被气体取代，形成非常多的空洞及结构胞元，因此具有极低的密度。这也是气凝胶被称为冻烟雾或固体空气的原因。

其三是性能稳定。气凝胶的材质有多种，在火星车中应用的气凝胶成分是二氧化硅，在空间辐射环境中，耐受空间高能辐射的能力很强，不会发生性能的退化，特别适用于空间使用。

其实，气凝胶不仅用于隔热，在美国的“星尘”号探测器中，用气凝胶固定被探测星体的颗粒，并把这些颗粒带到地球上进行进一步的研究。（南山）