气凝胶作为世界最轻的固体，多次入选吉尼斯世界纪录。气凝胶的导热性和折射率也很低，绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。在俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”的探测器上都有用到气凝胶进行热绝缘，已经在航空航天领域发挥了至关重要的作用。科学家们正在探索将气凝胶用于超级隔热太空服、超级电容器、催化剂、下一代网球拍等各个领域。气凝胶有望和20世纪30年代的酚醛树脂、20世纪80年代的碳
（1）超轻。气凝胶是世界上密度最小的固体，密度最小可以达到空气质量的六分之一。密度变化范围一般为0.001~1g/cm³。
（2）高孔隙率和高比表面积。孔隙率为80%~99.9%，比表面积为200~1000㎡/g，孔洞的典型尺寸为1~100nm。
（3）超级隔热。气凝胶纤细的纳米网络结构有效地限制了局域热激发的传播，其固态热导率比相应的玻璃态材料低2~3个数量级。
（4）催化。气凝胶的小粒径、高比表面积和低密度等特点，使气凝胶催化剂的活性和选择性均远远高于常规催化剂，而且活性组分可以非常均匀地分散于载体中，同时它还具有优良的热稳定性，可以有效地减少副反应发生。
（5）隔音。气凝胶的低声速特性，使其成为一种理想的声学延迟或高温隔音材料。气凝胶的声阻抗可变范围较大[103 ～ 107kg/(㎡·s)]，是一种较理想的超声探测器的声阻耦合材料，用于超声波发生器和探测器的压电陶瓷的声阻是1.5×107kg/(㎡·s)，而空气的声阻只有400kg/(㎡·s)。用厚度为1/4波长、密度在0.3g/cm³左右的硅气凝胶作为压电陶瓷与空气的声阻耦合材料，能使声强提高30dB，提高声波的传输效率，降低器件应用中的信噪比。
（6）过滤性能。纳米结构的气凝胶还可作为一种新型高效气体过滤材料。由于气凝胶具有特别大的比表面积，科学家们将气凝胶称为“超级海绵”，它是非常理想的吸附水中污染物的材料，能吸出水中的铅和水银，是处理生态灾难的绝好材料。
（7）光学性能。纯净的SiO₂气凝胶是透明无色的，它的折射率(1.006~1.06) 非常接近于空气的折射率，这意味着SiO₂气凝胶对入射光几乎没有反射损失，能有效地透过太阳光。因此，可以用来制作绝热降噪玻璃。
由于气凝胶材料优异的隔热性能及轻质特性，其在航天航空以及军工领域中的应用较为成熟，例如在美国MKV-22鱼鹰倾转旋翼机的机舱壁隔热系统和红外系统的防护均使用了气凝胶，又如英国美洲豹战斗机改型的驾驶舱隔热壁中也使用了气凝胶材料。
SiO2气凝胶的骨架颗粒结构包含了初次粒子和次级粒子，由硅源缩聚而形成的密实无定形二氧化硅初次粒子（1～2 nm）聚集成球形的次级粒子（5～10 nm），次级粒子再通过相互连接形成珍珠项链状的三维网络结构，如同高枝化的高聚物。这种混乱的纳米颗粒之间存在大量的孔隙，气凝胶骨架颗粒的粒径与相应的孔径基本小于50 nm，使得气凝胶具有低密度（0.1～0.2 g/cm3）和高孔隙率（90%～99%）等特性。二氧化硅气凝胶的结构与所采取的制备过程是密切相关的，溶胶凝胶、老化、干燥等阶段对最终气凝胶微观形貌的影响非常大。
典型二氧化硅气凝胶结构
1 隔热应用
隔热是气凝胶材料最突出的功能特性和最广泛的应用场景需求，与一般隔热材料相比，气凝胶材料普遍适用于航空、临近空间、航天、深空等多空域下飞行器的隔热。首先，气凝胶是目前热导率最低的固体材料，常温常压下热导率可低至0.01 W/m·K-1，真空环境下为0.004 W/m·K-1，甚至更低；其次，气凝胶材料不仅适用于月球、近地轨道、临近空间平流层等高真空环境下隔热，也适用于火星、土星、临近空间中间层等低真空环境下隔热，而常规的多层隔热材料在后者环境中的隔热将失效；此外，气凝胶材料的耐温范围非常宽（40~2100 K），能满足探测器和飞行器在不同复杂空域环境中对超高温、超低温、高交变温度以及宽温域隔热的需求；最后，气凝胶材料的低密度特性，使得其为新一代导弹武器、未来深空/超深空探测以及高载荷载人探测任务中飞行器提供了最佳的轻量化防隔热材料方案。
耐不同温度气凝胶材料的隔热应用示意图
美国NASA率先将气凝胶作为高效隔热材料用在一系列火星探测器的多个部位上。1996年，美国索加伊纳号火星车上，利用低密度二氧化硅气凝胶作为电子恒温箱的隔热保温材料，保护火星车搭载的α粒子X射线光谱仪免受火星夜晚极度寒冷环境（-120℃）的损害。2003年，在美国机遇号和勇气号火星车上，对上述透明的二氧化硅气凝胶掺杂了0.4%的石墨降低热辐射，进一步提高了隔热性能。2011年NASA发射的好奇号火星车由于运行所需电量大幅提升，因此采用的是放射性同位素热电发生器（俗称核电池）代替太阳能提供足够的电能，其热交换器的热端温度最高可达1000 ℃，常规隔热材料会失效，利用掺杂石墨的二氧化硅气凝胶材料作为热交换器热边和冷边的高效隔离热障，极大地提高了核电池热能使用效率和供能稳定性。以上基于气凝胶的热电隔热技术，在2020年发射的毅力号火星车核电池上也得到了应用。
气凝胶隔热材料在美国火星探测任务中的应用
为应对不久的将来以火星载人登陆为代表的深空探测任务中对隔热的新需求，美国NASA也尝试利用气凝胶提出解决方案。载人火星探测器在EDL阶段需要快速完成高速气动减速以便安全着陆，减速器的充气展开柔性结构外表面需要采用柔性热防护系统保护。他们利用最高可耐受1100 ℃的纤维复合二氧化硅气凝胶和分解温度大于560 ℃的低聚倍半硅氧烷交联型聚酰亚胺气凝胶组成的柔性隔热材料组合，使得飞行器在验证实验中经受住了再入速度高达3 km/s、最高热流密度接近20 W/cm2、最高热流持续时间长达90 s、最高驻点温度1260 ℃的极端气动加热环境考核。此外，为了宇航员能在火星上安全执行出舱活动，所使用的航天服在火星空间环境下，要具备优异的热防护效果，在NASA约翰逊航天中心支持下，Aspen公司研制出纤维增强的二氧化硅气凝胶柔性复合纤维材料，其在火星低真空环境下热导率为0.005 W/m·K-1，仅仅是多层隔热结构的五分之一，这种高效隔热的气凝胶材料有望用于未来航天服的柔性热防护结构。
除了将气凝胶用于深空探测器的隔热，NASA还将气凝胶用于航天飞机和运载火箭上多个部位的隔热。NASA肯尼迪太空中心将Cabot公司商品化的气凝胶颗粒材料用在航天飞机、运载火箭、空天飞行器的液氢低温推进剂储罐，展示了气凝胶在-147 ℃超低温环境下优异的保温性能，不仅解决了由冷凝环境空气造成的发射安全风险的问题，而且为航天飞机减重高达230 kg。NASA艾姆斯研究中心还将气凝胶前驱体渗入到陶瓷纤维瓦的缝隙中，制备出气凝胶隔热瓦复合刚性隔热材料，将航天飞机所用的常规隔热瓦的隔热性能提高了1~2个数量级，这种新型隔热材料可用于未来可重复使用航天器的燃料箱隔热层中。
作为我国最早进行功能化气凝胶研制和工程化应用的主要单位之一，航天特种材料及工艺技术研究所已研制出了包括中温型、高温型、高温透波型和超高温型在内的系列牌号二氧化硅气凝胶材料，这一系列高性能气凝胶隔热材料已用于我国数十型飞行器中。在空间隔热领域，针对我国空天探测中飞行器和探测器对轻量化、耐恶劣空间环境的防隔热需求，航天特种材料及工艺技术研究所开发了系列轻质高性能隔热材料，承担了我国空间探测工程的多项配套任务；针对货运飞船低温轨道精确控温需求，研制出纤维增强气凝胶和气凝胶真空隔热板；针对运载火箭发动机燃气系统、隔离气瓶和氧涡轮的高温隔热需求，研制出高性能纳米气凝胶隔热复合材料；针对月球探测器某关键电子器件的长时隔热需求，研制出长服役寿命的气凝胶隔热组件；针对火星探测着陆巡视器需适应火星高低温交变环境隔热需求，研制出超低密度气凝胶复合隔热板。相关气凝胶产品在历次任务中质量稳定可靠，成功保障了载人航天、探月工程和探火工程等一系列国家重大空间任务取得圆满成功，并将继续在我国空间站建设、未来深空探测任务中做出更大贡献。
气凝胶隔热材料在我国空天探测任务中的应用
2 粒子捕获应用
隔热系统是气凝胶在飞行器中最成熟的应用领域，对空间粒子捕获是气凝胶在探测器中的另外一个广为人知的应用。宇宙尘埃为太阳系、行星的形成和演化甚至生命的起源研究提供了最原始样本，将这些粒子无损捕获并取样返回进行分析具有重大的天文价值。高速运动的宇宙尘埃（5~80 km/s）与常规材料发生硬碰撞后会灰飞烟灭，而低密度透明气凝胶材料一方面由于其低密度多孔特性有利于高速粒子软着陆而实现完整捕获，另一方面由于其透明特性有助于被捕获粒子的定位和移取以便用于研究分析，已被证实是宇宙尘埃捕获的最佳介质材料，气凝胶的低密度和透明两个特性在此领域的应用缺一不可。
气凝胶材料制成的捕获器在20世纪80年代历经多次STS航天飞机搭载实验的基础上，美国NASA于1995年在和平号空间站上搭载密度为0.02 g/cm3的透明气凝胶，在近地轨道上捕获高速运动的轨道碎片粒子。此后，NASA于1999年启动了著名的星尘计划，利用0.005~0.05 g/cm3的梯度密度透明气凝胶捕获到大量彗星及行星尘埃，基于对尘埃样品的分析，取得了大量颠覆性天文新认识，为此国际权威杂志《科学》出版了专辑进行报道。2011年至今，在NASA的支持下，加州理工学院的喷气推进实验室开始研究利用低密度氧化铝、酚醛、聚酰亚胺等非硅系透明气凝胶去捕获火星或者其它行星尘埃样品。美国2019年初启动了火星勘测样本收集计划，白宫批准该计划2020年度经费预算为1.09亿美元。
气凝胶材料在美国星尘计划中用于高速粒子捕获
除了美国，欧洲航天局也曾将密度为0.05 g/cm3的二氧化硅气凝胶捕获装置部署在EuReCa可回收卫星中，收集到了12颗来自微流星体的粒子。2001年，日本宇航开发机构通过将密度为0.03 g/cm3的二氧化硅气凝胶块体组成的尘埃收集器，搭载在国际空间站上进行微粒子捕获试验。2015年，日本宇航开发机构启动了蒲公英计划，基于所制备的内层密度为 0.01 g/cm3、外层密度为0.03 g/cm3的双层二氧化硅气凝胶板块来采集漂浮在宇宙空间中的尘埃颗粒，探寻外星球中是否有生命物质。2013年，法国发展研究院和国家科学研究院利用密度为0.09 g/cm3的气凝胶捕获器搭载在国际空间站上收集太空粒子碎片，较大的密度使得捕获器的力学强度明显增强。虽然我国目前还未开展利用气凝胶材料进行宇宙尘埃捕获的空间探测实验，但是随着可搭载捕获装置的空间站平台的建设，相关研究迎来了重大发展机遇。
来源：华阳纳谷新材料
原文始发于微信公众号（艾邦气凝胶论坛）：气凝胶的空天应用