氣凝膠隔熱材料制備及航天熱防護應用研究進展

柳鳳琦 王魯凱 門 靜 劉蘭芳 彭 飛 馮軍宗 姜勇剛 李良軍 馮 堅

（國防科技大學空天科學學院陶瓷纖維及其復合材料重點實驗室，長沙 410073）

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隨著新型航天飛行器不斷突破飛行速度技術壁壘，其飛行速度更高、飛行時間更長，但這同時也伴隨著更嚴酷的機身表面氣動加熱，因此迫切需要開發高效隔熱材料以保證機體結構穩定和艙內電子設備正常工作，這是飛行器長時高速飛行的重要保障［1］。傳統的航天隔熱材料如陶瓷纖維氈、隔熱瓦等，其應用已經逐漸受限于材料本身的隔熱性能，這也制約了未來飛行器進一步發展［2-4］。

納米孔隔熱材料自誕生以來備受研究者青睞，其可依托于傳熱理論對材料微觀結構在納米尺度進行精細調控，從而實現隔熱性能的飛躍，氣凝膠隔熱材料便是其中重要代表。氣凝膠是一種以納米粒子為骨架、氣體為分散介質的納米多孔材料，因其低密度（最低至3 mg/cm3）、高孔隙率（最高99%以上）和高比表面積（最高1 000 m2/g 以上）也被譽為“固態煙”［5-6］。氣凝膠是目前熱導率最低的固體材料，這歸功于氣凝膠獨特骨架形態和孔徑結構：極低固態體積占比和曲折復雜三維多孔網絡結構，大幅抑制了材料固相熱傳導；介孔范圍內的孔徑小于氣體分子平均自由程，有效降低了氣體分子運動引起的氣體熱傳導；遮光劑引入可以提高氣凝膠比消光系數，避免了高溫下輻射傳熱顯著增加，因此，氣凝膠作為一種超級隔熱材料在高溫隔熱領域具有無可比擬的優勢，尤其在環境惡劣、對質量有苛刻要求的航空航天熱防護領域，這也是其應用最為成功的領域之一［7］。……