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神奇的隔热材料——气凝胶
发布时间:2016-02-02  字号:
 

  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。
  


低密度纯二氧化硅纳米气凝胶


  
  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)

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神奇的隔热材料——气凝胶
发布时间:2016-02-02   字号:

  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。
  


低密度纯二氧化硅纳米气凝胶


  
  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)

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