艾素芬，向艷超，雷堯飛，薛淑艷，沈宇新，殷 雷，劉 佳，陳維強(qiáng)

（1. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094；2. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

引 言

氣凝膠是一種分散介質(zhì)為氣體，由膠體粒子或高聚物分子相互聚積成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米多孔性固體材料。氣凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基本粒子直徑為1～20 nm，孔洞尺寸為1～100 nm，因此具有密度低（可低至3 kg/m3）、孔隙率高（可高達(dá)99.8%）的特點(diǎn)。由于該材料內(nèi)的孔徑（＜ 50 nm）小于空氣分子的平均自由程（70 nm），能有效地抑制氣體對(duì)流；材料的固體含量非常低，固體熱傳導(dǎo)低，從而使得氣凝膠具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)（可達(dá)0.013 W/（m·K））[1]，是目前導(dǎo)熱系數(shù)最低的固體材料。氣凝膠作為保溫隔熱材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、石油熱力等各個(gè)領(lǐng)域[2]。

對(duì)于部組件輕量化程度要求極高的航空航天領(lǐng)域，多使用低密度的氣凝膠材料（密度 ≤ 50 kg/m3）。美國勞倫斯利弗摩爾國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）最早實(shí)現(xiàn)低密度二氧化硅氣凝膠制備技術(shù)突破，所制備的氣凝膠材料密度可低至3 kg/m3[3]。美國國家航空航天局（National Aeronautic and Space Administration，NASA）使用該實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低密度氣凝膠在航天領(lǐng)域的應(yīng)用：1997年，在“火星探路者”（Mars Pathfinder，MPF）的“旅居者號(hào)”（Sojourner）巡游車中，使用了密度為15～20 kg/m3的二氧化硅氣凝膠材料制備了核心部件的溫箱，以抵擋火星上的低溫，同時(shí)達(dá)到設(shè)備減重的目的[4]；1999年，對(duì)低密度氣凝膠制備技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，利用氣凝膠多孔緩沖性能，制作了梯度密度為10～50 kg/m3的氣凝膠網(wǎng)絡(luò)單元，并設(shè)計(jì)為網(wǎng)球拍狀塵埃采集器，裝在“星塵號(hào)”（Stardust）宇宙飛船上，用于捕捉彗星塵埃[5]。2003年，NASA在“機(jī)遇號(hào)”（Opportunity）和“勇氣號(hào)”（Spirit）火星探測器上，再次使用了20 kg/m3的氣凝膠材料作為隔熱材料，并添加了0.4%的石墨來進(jìn)一步降低輻射傳熱[6]。美國在火星車和彗星塵埃捕捉項(xiàng)目中的低密度氣凝膠應(yīng)用實(shí)例一方面說明如果實(shí)現(xiàn)很好的固定，低密度氣凝膠材料可以承受航天器發(fā)射和火星著陸過程中巨大的沖擊力，而保持其結(jié)構(gòu)功能完好；另一方面說明低密度氣凝膠在火星大氣環(huán)境中具有良好的保溫效果。因此，低密度納米氣凝膠是火星車的最佳隔熱材料方案。但是對(duì)于我國火星車，超輕質(zhì)氣凝膠材料是首次工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一[7]。

火星車熱控系統(tǒng)應(yīng)用要求超輕質(zhì)隔熱材料密度低于30 kg/m3，具有優(yōu)異隔熱性能、尺寸精確控制性以及可組裝性能，尚無技術(shù)成熟的低密度氣凝膠材料可用。低密度氣凝膠材料由于其密度低、存在大孔結(jié)構(gòu)（≥ 100 nm）、大于空氣分子自由程（70 nm）而影響隔熱性能，室溫導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)比大密度氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)高，但是為了獲得滿足要求的導(dǎo)熱系數(shù)，必須對(duì)低密度的納米孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確控制，減少大孔結(jié)構(gòu)；另一方面，低密度氣凝膠初始反應(yīng)物濃度低，化學(xué)反應(yīng)程度難以控制會(huì)導(dǎo)致理論密度與實(shí)際密度偏差大；同時(shí)低密度氣凝膠在制備過程中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，成型過程尺寸控制難度大。

國內(nèi)工程上應(yīng)用技術(shù)最為成熟的是密度約為100～200 kg/m3的氣凝膠復(fù)合材料[89]，低密度氣凝膠材料（密度 ≤ 50 kg/m3）的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室的小樣和性能研究[10-11]，未見大尺寸材料研究以及應(yīng)用的報(bào)道。美國最早實(shí)現(xiàn)了低密度氣凝膠制備技術(shù)的突破和工程上的成功應(yīng)用，但相關(guān)報(bào)道只有測試結(jié)果的數(shù)據(jù)，而無詳細(xì)的制備參數(shù)報(bào)道。該制備技術(shù)還存在下列缺點(diǎn)[12]：1）產(chǎn)品密度為15～20 kg/m3，而導(dǎo)致尺寸收縮率為15%，尺寸收縮無法實(shí)現(xiàn)后期的密度和尺寸的精確控制；2）產(chǎn)品成品率為25%，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)效率低、成本高。

針對(duì)低密度氣凝膠的密度、結(jié)構(gòu)以及尺寸控制需求，北京衛(wèi)星制造廠有限公司開展了低密度納米氣凝膠隔熱材料（密度 ≤ 30 kg/m3）的研究，并結(jié)合深空探測環(huán)境，對(duì)這種材料在不同條件下的導(dǎo)熱系數(shù)、熱循環(huán)、熱真空和電離總劑量試驗(yàn)前后的尺寸變化和導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了表征，全面評(píng)價(jià)了所研制的低密度氣凝膠復(fù)合材料的火星空間環(huán)境適應(yīng)性能。

1 低密度納米氣凝膠材料的制備

氣凝膠的制備過程主要分為溶膠-凝膠過程和超臨界干燥過程。氣凝膠在制備過程中，首先通過溶膠-凝膠過程形成三維納米的濕凝膠孔洞結(jié)構(gòu)，后采用超臨界干燥技術(shù)在零表面張力的條件下，去除孔洞結(jié)構(gòu)中的溶劑，而保持納米結(jié)構(gòu)不被破壞，最終形成氣凝膠材料。

對(duì)于低密度納米氣凝膠材料，首先需要制備得到低密度純氣凝膠，該材料通常通過有機(jī)硅酯的溶膠-凝膠反應(yīng)實(shí)現(xiàn)Si-OR基團(tuán)向Si-OH的轉(zhuǎn)化反應(yīng)獲得。一般情況下，氣凝膠密度越低，反應(yīng)物的濃度越小，其化學(xué)反應(yīng)程度也越低，從而影響骨架結(jié)構(gòu)中Si-OR向Si-OH的轉(zhuǎn)化。但Si-OR在低密度骨架結(jié)構(gòu)中所占比重越大，氣凝膠理論密度和實(shí)際密度偏差就會(huì)越大，導(dǎo)致材料密度控制難度大。

另一方面，低密度氣凝膠具有纖細(xì)的骨架結(jié)構(gòu)，超臨界CO2干燥過程中易受到氣液轉(zhuǎn)化過程中傳質(zhì)傳熱的影響而出現(xiàn)收縮坍塌，引起材料型面收縮和變形。因此，低密度氣凝膠材料制備過程中需保證氣凝膠制備和干燥過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需進(jìn)行純氣凝膠制備技術(shù)和超臨界干燥技術(shù)的研究。

對(duì)于低密度氣凝膠材料工程應(yīng)用，除了具有極佳的隔熱性能，還要求在密度低于30 kg/m3條件下，具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可機(jī)加為異型面，進(jìn)行組件的裝配，因此還需開展增強(qiáng)體復(fù)合成型技術(shù)研究，形成低密度氣凝膠復(fù)合材料，使低密度氣凝膠材料具有工程應(yīng)用價(jià)值。

1.1 低密度純氣凝膠的制備

對(duì)于溶膠-凝膠反應(yīng)，為了得到低密度氣凝膠，必須嚴(yán)格控制作為基本結(jié)構(gòu)單元的膠質(zhì)顆粒尺度和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而這些結(jié)構(gòu)明顯依賴于溶膠-凝膠過程中水解與縮聚反應(yīng)的催化條件。針對(duì)不同催化條件下水解與縮聚反應(yīng)相對(duì)速率的較大差異，須使用二步法對(duì)低密度氣凝膠的反應(yīng)速度進(jìn)行精細(xì)的調(diào)控。但常規(guī)用于制備密度大氣凝膠（密度 ≥ 50 kg/m3）的水解-縮聚充分反應(yīng)的二步法并不適用于低密度氣凝膠：一方面是因?yàn)槌Ｒ?guī)的二步法是充分的水解和縮聚反應(yīng)，在低濃度反應(yīng)物條件下，凝膠反應(yīng)慢或者無法凝膠；另一方面，可凝膠條件下獲得的氣凝膠結(jié)構(gòu)在密度小于20 kg/m3時(shí)，大孔結(jié)構(gòu)超過50%的而失去隔熱效果[3]。

半水解-半縮聚反應(yīng)是利用有機(jī)硅酯與低于化學(xué)計(jì)量比的水混合，在酸性條件下反應(yīng)，獲得半水解-半縮聚硅前驅(qū)體，反應(yīng)化學(xué)式見圖1。該前驅(qū)體是有機(jī)硅烷的不完全縮聚結(jié)構(gòu)，反應(yīng)活性提高，經(jīng)大量極性溶劑稀釋后，在很低的濃度時(shí)也可在堿性催化劑條件下，快速形成低密度氣凝膠三維孔洞結(jié)構(gòu)。

圖1 制備前驅(qū)體的半水解-半縮聚反應(yīng)Fig. 1 Semi-hydrolysis-condensation reaction to prepare silica precursor

本文采用半水解-半縮聚反應(yīng)原理，以正硅酸乙酯等有機(jī)硅烷為原料，制得高活性前驅(qū)體，制備了密度約為20 kg/m3完整的低密度二氧化硅氣凝膠塊體材料。所制備的氣凝膠材料如圖2所示，內(nèi)部無微裂紋，表觀呈現(xiàn)淡藍(lán)色。氣凝膠塊體由于密度低，重量小，可以穩(wěn)定地停留在一朵真實(shí)的月季花的表面。該材料還具有透明性，透過材料可以清楚地觀察到月季花的層狀花瓣結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 密度為20 kg/m3的二氧化硅膠氣凝膠Fig. 2 Low density silica aerogel with density as 20 kg/m3

使用氮吸附測試氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)，低密度氣凝膠的比表面積測試結(jié)果為750 m2/g，是典型氣凝膠的比表面積數(shù)量級(jí)。吸附-脫附曲線形成回滯環(huán)結(jié)構(gòu)（圖3），滯后的脫附曲線說明氣凝膠中存在大量的介孔結(jié)構(gòu)。低密度氣凝膠孔徑分布曲線（圖4）顯示，納米氣凝膠的大部分孔徑低于20 nm，低于空氣分子自由程，可以有效的阻擋空氣對(duì)流，具有隔熱性能。

圖3 低密度氣凝膠氮?dú)馕?脫附曲線Fig. 3 N2 adsorption and desorption isotherms of low density aerogel

圖4 低密度氣凝膠孔徑分布曲線Fig. 4 Pore diameter distribution of low density aerogel

將納米氣凝膠粉末分散于溶劑中，滴加于銅網(wǎng)上，制備透射電子顯微鏡（TEM）樣品，用于觀測氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)，如圖5所示。低密度氣凝膠的骨架結(jié)構(gòu)尺寸為2～5 nm左右的鏈狀結(jié)構(gòu)組成的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其孔的尺寸多為20 nm左右，同時(shí)也存在少量的大于100 nm的大孔結(jié)構(gòu)，是低密度氣凝膠的典型特征。該孔洞尺寸測試結(jié)果與氣凝膠的孔徑分布曲線保持一致。

圖5 低密度氣凝膠電子顯微鏡圖Fig. 5 TEM images of of low density aerogel

測試結(jié)果表明，采用半水解-半縮聚反應(yīng)制備低密度氣凝膠密度可控制在20 kg/m3，納米結(jié)構(gòu)具有氣凝膠的典型結(jié)構(gòu)特征。

1.2 低密度氣凝膠復(fù)合材料的制備

純氣凝膠材料脆性大，無法機(jī)加成復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)。本文選用超輕質(zhì)聚合物泡沫，該泡沫為白色塊體材料，在-200 ℃～200 ℃溫度區(qū)間以及超臨界CO2條件下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可為低密度氣凝膠提供的骨架強(qiáng)度，形成低密度納米氣凝膠的復(fù)合材料。

在復(fù)合材料制備過程中，超輕質(zhì)聚合物泡沫為高孔隙率材料，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，在與溶膠復(fù)合成型中，極易發(fā)生收縮和變形，而無法保證弱剛度材料成型的型面和尺寸精度。另一方面，氣凝膠填充復(fù)合泡沫后會(huì)形成低強(qiáng)度的濕凝膠復(fù)合材料，濕凝膠在后續(xù)溶劑置換、表面化學(xué)改性以及超臨界干燥過程中極易受到外力遭到破壞。因此復(fù)合成型方法非常重要。本文通過采用真空浸漬的方法，通過超輕質(zhì)聚合物泡沫與低密度二氧化硅氣凝膠的復(fù)合，最終形成了密度小于30 kg/m3的低密度納米氣凝膠復(fù)合材料。

所制備的低密度氣凝膠復(fù)合材料如圖6示，為白色塊體材料，具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可進(jìn)行手持安裝。對(duì)于平板型材料，可機(jī)加為如圖所示的圓角和直角結(jié)構(gòu)，有利于進(jìn)行部組件組裝，而形成隔熱組件，進(jìn)行工程應(yīng)用。

圖6 密度為30 kg/m3的低密度氣凝膠復(fù)合材料Fig. 6 Low density aerogel composites with density as 30 kg/m3

圖7 低密度納米氣凝膠復(fù)合材料的SEM圖Fig. 7 SEM images of low density aerogel composites

對(duì)低密度納米氣凝膠復(fù)合材料進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征，從掃描電子顯微鏡（SEM）圖片可見（圖7），氣凝膠材料在泡沫的孔壁內(nèi)部填充充分，氣凝膠和泡沫壁之間結(jié)合緊密，說明氣凝膠可與泡沫實(shí)現(xiàn)復(fù)合。泡沫增強(qiáng)后，氣凝膠復(fù)合材料的密度為28～30 kg/m3。測試復(fù)合材料隔熱性能，發(fā)現(xiàn)密度為25 kg/m3的純氣凝膠塊體室溫導(dǎo)熱系數(shù)為0.030 W/（m·K）[13]，而氣凝膠復(fù)合材料的室溫導(dǎo)熱系數(shù)降為0.022 W/（m·K）。這是因?yàn)闅饽z對(duì)于2.8～8 μm的近紅外輻射幾乎全透過，而聚合物泡沫的引入，可增強(qiáng)其紅外遮擋性能，從而提高了隔熱性能。另一方面，氣凝膠對(duì)泡沫的骨架結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)了“包裹”，減小了泡沫的固體熱傳導(dǎo)。綜合上述兩種因素，低密度氣凝膠復(fù)合材料室溫導(dǎo)熱系數(shù)低于純氣凝膠。

1.3 低密度氣凝膠材料的超臨界CO2干燥

超臨界CO2是指溫度和壓力均高于其臨界值（T=31 ℃，P=7.38 MPa）的二氧化碳流體。低密度氣凝膠在超臨界CO2干燥過程中，若CO2在31 ℃以上進(jìn)入干燥釜，會(huì)對(duì)濕凝膠進(jìn)行加熱，造成溶劑的揮發(fā)，導(dǎo)致低密度濕凝膠的收縮。因此，必須控制二氧化碳進(jìn)料溫度，降低二氧化碳溫度，使得二氧化碳主要以冷態(tài)形式進(jìn)入釜體，從而穩(wěn)定濕凝膠的狀態(tài)和尺寸，直到大部分濕凝膠中的溶劑被二氧化碳置換后，再提升二氧化碳的進(jìn)料溫度，對(duì)于殘余的溶劑進(jìn)行快速干燥，從而達(dá)到減小干燥過程對(duì)于氣凝膠納米結(jié)構(gòu)影響的目的。本文通過控制進(jìn)料溫度為15～20 ℃，實(shí)現(xiàn)了低密度納米氣凝膠材料的干燥。

低密度納米氣凝膠復(fù)合材料在超臨界CO2干燥前后尺寸無收縮。氣凝膠復(fù)合有機(jī)物聚合物泡沫后，泡沫的剛性結(jié)構(gòu)可輔助抑制氣凝膠在超臨界干燥過程中的收縮，保持復(fù)合材料的各方向尺寸不變，收縮率小于0.1%。該收縮率有利于低密度氣凝膠復(fù)合材料機(jī)加為各種異型尺寸產(chǎn)品。對(duì)于產(chǎn)品成品率，北京衛(wèi)星制造廠所研制的低密度納米氣凝膠復(fù)合材料的成品率可以達(dá)到98%以上，有利于批次性提供大量的產(chǎn)品。

1.4 低密度氣凝膠材料的機(jī)加

低密度氣凝膠復(fù)合材料密度約為30 kg/m3，材料的孔隙率高達(dá)98%，這種高孔隙率材料的抗壓強(qiáng)度測試值為0.01 Mpa，屬于弱剛度材料。雖然材料密度低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，還是可以通過機(jī)械加工的方式機(jī)加。除了機(jī)加如圖6所示的簡單孔結(jié)構(gòu)外，該材料還加工成如圖8所示的馬鞍型異型件以及Ф25 mm的圓柱體件，尺寸精度為 ± 0.5 mm。說明低密度氣凝膠復(fù)合材料材料可滿足低密度和機(jī)加性能的工程應(yīng)用要求。

圖8 低密度納米氣凝膠材料機(jī)加后圖片F(xiàn)ig. 8 Low density aerogel composites after being machined

2 低密度納米氣凝膠隔熱材料性能

2.1 低密度氣凝膠材料的隔熱性能

為了表征低密度氣凝膠材料的隔熱性能，采用德國耐馳GHP456導(dǎo)熱系數(shù)測試設(shè)備，根據(jù)國標(biāo)GB/T 10294-2008 《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護(hù)熱板法》，測試了低密度納米氣凝膠材料在不同氣壓和不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)（圖9）。根據(jù)設(shè)備要求，樣件尺寸為2塊300 mm × 300 mm × 14.5 mm的平板樣件。測試真空條件時(shí)，采取將設(shè)備在設(shè)備測試腔體內(nèi)抽真空的方式至0.01 Pa。測試CO2氣氛條件時(shí)，利用氣瓶填充CO2氣體，并使用流量計(jì)和壓力閥控制腔體內(nèi)部壓力。低溫條件依靠液氮對(duì)加熱板進(jìn)行冷卻控溫，根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)要求，控制加熱冷板的溫差。

測試結(jié)果表明（圖10），在0.01 Pa接近真空氣壓條件下，在-120 ℃溫度時(shí)，氣凝膠材料導(dǎo)熱系數(shù)具有極低值，可低至0.001 4 W/（m·K）。因?yàn)檎婵窄h(huán)境以及低溫環(huán)境下，存在極少量的空氣分子，且碰撞頻率變慢，熱量傳遞介質(zhì)少而傳熱速度變慢。

圖9 耐馳GHP456導(dǎo)熱系數(shù)測試設(shè)備Fig. 9 Netzsch GHP 456 thermal conductivity testing equipment

圖10 不同氣壓和不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)Fig. 10 Thermal conductivity of low density aerogel at different pressure and temperature

對(duì)比相同溫度條件下，近真空環(huán)境、火星低壓環(huán)境（1 000 Pa CO2和1 000 Pa N2）以及1個(gè)大氣壓環(huán)境（1 atm）的氣壓條件，可以發(fā)現(xiàn)隨著壓力的升高，材料的導(dǎo)熱系數(shù)不斷上升。其原因在于隨著壓力的升高，氣體分子單位體積密度變大，碰撞頻率加劇，氣相熱傳導(dǎo)變大，而導(dǎo)致材料導(dǎo)熱系數(shù)變大。

在4種壓力條件下，壓力條件相同的情況下，隨著溫度的上升，導(dǎo)熱系數(shù)也呈上升趨勢。是因?yàn)闇囟壬仙螅瑲怏w分子活動(dòng)頻次加劇，引起氣相熱傳導(dǎo)的上升，同時(shí)固相熱傳導(dǎo)也是隨著溫度上升而升高。在1 000 Pa CO2條件下，低密度氣凝膠復(fù)合材料在25 ℃條件下的導(dǎo)熱系數(shù)低至0.006 6 W/（m·K），優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的NASA火星車用純氣凝膠塊的導(dǎo)熱系數(shù)（1 000 Pa CO2，25 ℃，0.015 W/（m·K）[14]。

2.2 低密度氣凝膠材料的真空揮發(fā)性

在航天器上使用的材料需避免產(chǎn)生多余物對(duì)其他部組件產(chǎn)生影響，一般要求在壓力不高于7 × 10-3Pa、溫度為（125 ± 1）℃的條件下保持24 h，總質(zhì)量損失應(yīng)不大于1%，在（25 ± 1）℃冷表面上的可凝揮發(fā)物應(yīng)不大于0.1%。

根據(jù)航天標(biāo)準(zhǔn)QJ1558A-2012《真空條件下材料揮發(fā)性能測試方法》對(duì)低密度氣凝膠的真空總質(zhì)量損失和可凝揮發(fā)物進(jìn)行表征，共測試了4個(gè)批次樣品（如表1所示），平均的總質(zhì)量損失為0.322 5%，可凝揮發(fā)分為0.042 5%，可以滿足航天標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量損失不應(yīng)大于1%的指標(biāo)要求?？傎|(zhì)量損失和可凝揮發(fā)份之間質(zhì)量差主要來自于低密度氣凝膠材料多孔材料中吸附的水分，在125 ℃溫度條件下，水汽受熱蒸發(fā)引起質(zhì)量損失。

表1 真空條件下氣凝膠復(fù)合材料揮發(fā)性能測試結(jié)果Table 1 Volatility test results of aerogel composites under vacuum conditionswt%

低密度氣凝膠材料在真空條件下的可凝揮發(fā)份主要來自于氣凝膠高空隙結(jié)構(gòu)所吸附的微量殘留官能團(tuán)，如有機(jī)硅酯在水解-縮聚的交聯(lián)脫醇反應(yīng)中未溢出的乙醇分子等。這些殘余分子在真空以及高溫測試條件下，易脫離材料的孔道，引起質(zhì)量變化。

2.3 低密度氣凝膠材料的吸濕性

低密度二氧化硅氣凝膠表面含有大量的羥基基團(tuán)，會(huì)與空氣中水分反應(yīng)，而導(dǎo)致氣凝膠結(jié)構(gòu)性能不穩(wěn)定。本文采用甲基三甲氧基硅烷為疏水化試劑，通過枝接疏水性烷基基團(tuán)處理，使其具有疏水性。

按GB/T 5 480.7-2004 《礦物棉及其制品試驗(yàn)方法第7部分：吸濕性》中7.1節(jié)，采用恒溫恒濕箱對(duì)低密度氣凝膠材料的吸濕性進(jìn)行測試，在溫度為（50 ±2）℃、相對(duì)濕度為（95 ± 3）%，并具有空氣循環(huán)流動(dòng)的恒溫恒濕箱內(nèi)保持（96 ± 4）h，通過前后稱取試樣質(zhì)量，測算質(zhì)量吸濕率。

測試結(jié)果如表1所示，平均吸濕率為1.25%。常規(guī)密度為100～300 kg/m3的氣凝膠材料的吸濕率一般小于1%左右[15]，低密度氣凝膠材料吸濕率比大密度氣凝膠材料吸水率高，主要是因?yàn)榈兔芏葰饽z具有大孔結(jié)構(gòu)（≥ 100 nm），且材料高孔隙率高達(dá)98%，存在多孔結(jié)構(gòu)吸水。但1.25%的質(zhì)量吸水率可以滿足火星環(huán)境對(duì)材料吸濕性能的要求。

2.4 低密度氣凝膠材料的環(huán)境適應(yīng)性

按照探測器的應(yīng)用環(huán)境，開展低密度氣凝膠材料常壓環(huán)境下的高低溫?zé)嵫h(huán)試驗(yàn)（熱循環(huán)）、真空環(huán)境下的熱真空1試驗(yàn)（熱真空1）以及火星大氣環(huán)境下的熱真空2試驗(yàn)（熱真空2），具體溫度和氣壓環(huán)境見表2。

表2 熱環(huán)境試驗(yàn)條件Table 2 The condition of thermal environment experiment

試驗(yàn)開展時(shí)依次進(jìn)行熱循環(huán)、熱真空1和熱真空2試驗(yàn)，其中3個(gè)試驗(yàn)中最低環(huán)境溫度為（-145～+85）℃，可驗(yàn)證低密度納米氣凝膠材料在（-145～+85）℃溫度條件下的耐高低溫性能。

測試低密度納米氣凝膠隔熱板在熱循環(huán)試驗(yàn)、熱真空1試驗(yàn)和熱真空2試驗(yàn)前后的導(dǎo)熱系數(shù)測試和尺寸收縮率，3個(gè)環(huán)境試驗(yàn)采用同一樣品，按照試驗(yàn)順序依次進(jìn)行。

結(jié)果表明（見表3）：經(jīng)過不同的環(huán)境試驗(yàn)低密度氣凝膠復(fù)合材料在長、寬、高3個(gè)方向的尺寸收縮率均小于1.0%，說明該材料在不同的氣壓和高低溫的環(huán)境中具有很好尺寸穩(wěn)定性，不會(huì)因長時(shí)間工作發(fā)生漏熱現(xiàn)象。

表3 不同環(huán)境試驗(yàn)條件下氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)和尺寸收縮率Table 3 Thermal conductivity and dimensional shrinkage under various environmental test conditions of aerogel composites

從表3可以看出，在不同環(huán)境下材料在熱循環(huán)前后的低溫（-40 ℃）和常溫（25 ℃）的導(dǎo)熱系數(shù)（1 400 Pa CO2氣氛）幾乎沒有變化，說明該材料在不同氣壓和（-145～+85）℃高低溫度環(huán)境下循環(huán)使用后，低密度氣凝膠復(fù)合材料的隔熱性能保持穩(wěn)定，符合航天器的使用需求。

研究結(jié)果還顯示，該方法制備的低密度純二氧化硅氣凝膠耐溫性可達(dá)700 ℃[16]，若使用耐溫性更高的增強(qiáng)體，例如無機(jī)纖維等，低密度氣凝膠復(fù)合材料的耐溫性可超過目前的200 ℃。

測試復(fù)合材料在電離總劑量實(shí)驗(yàn)前后的導(dǎo)熱性能和尺寸變化，試驗(yàn)輻射源采用60Coγ源，對(duì)樣件進(jìn)行裸露輻照。結(jié)果顯示（表4），在1 400 Pa、CO2氣氛下、-40 ℃和25 ℃溫度下導(dǎo)熱系數(shù)幾乎沒有發(fā)生變化，尺寸收縮率最大為0.4%，表明低密度納米氣凝膠復(fù)合材料在一定時(shí)間和一定劑量的空間電離輻射下結(jié)構(gòu)與性能穩(wěn)定。

表4 電離總劑量試驗(yàn)前后復(fù)合材料的性能Table 4 The performance of aerogel composites before and after the total ionizing dose experiment

3 結(jié) 論

針對(duì)火星車熱控系統(tǒng)的需求，本文通過采用半水解-半縮聚的溶膠-凝膠方法、超臨界CO2冷循環(huán)的干燥方法以及復(fù)合成型方法研制了密度小于30 kg/m3的低密度納米氣凝膠材料，該材料可機(jī)加為馬鞍型異型面，具有優(yōu)異的隔熱性能。低密度納米氣凝膠材料的真空揮發(fā)性、吸濕性以及環(huán)境試驗(yàn)下尺寸穩(wěn)定性和隔熱性能穩(wěn)定性可以滿足航天器使用環(huán)境的要求。