研究人员展示了气凝胶材料样品的承重特性。
气凝胶非常多孔且密度低，但可以通过美国宇航局开发的新技术制成非常坚固。在这里，美国宇航局格伦研究中心的 Mary Ann Meador 展示了新型气凝胶的强度。
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想象准备一碗甜的明胶甜点。明胶粉与热水混合，然后将混合物在冰箱中冷却至凝固。它现在是凝胶。如果将这种摇摆不定的凝胶放入烤箱中，并且所有水分都从其中干燥，那么剩下的将是一堆粉末。


但是想象一下，即使在液体被去除后，干明胶是否仍能保持其形状。凝胶的结构会保留，但由于密度低，它会非常轻。这正是气凝胶的制造方法。


气凝胶是人类已知的最轻的固体材料之一。它们是通过将聚合物与溶剂混合形成凝胶，然后从凝胶中除去液体并用空气代替而制成的。气凝胶非常多孔且密度非常低。它们摸起来很结实。这种半透明材料被认为是最好的绝缘材料之一。


尽管气凝胶是在 1930 年代首次发明的，但位于克利夫兰的美国宇航局格伦研究中心已经发明了创造新型气凝胶的开创性方法，这些方法可以改变我们对绝缘的看法。


气凝胶柱和基于板的夹层结构的比较。
气凝胶是通过在保持凝胶结构的同时去除凝胶中的水分而产生的。所得材料提供了非常有效的绝缘。
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气凝胶的多孔材料


自发明以来，气凝胶主要由二氧化硅制成。二氧化硅与溶剂结合形成凝胶。然后对该凝胶进行超临界流体萃取。这种超临界流体萃取涉及将液态二氧化碳引入凝胶中。二氧化碳超过了它的超临界点，它可以是气体或液体，然后被排出。这种交换进行多次，以确保从凝胶中去除所有液体。所得材料是气凝胶。


“这是使气凝胶与其他多孔材料不同的关键步骤，”格伦研究化学工程师和气凝胶团队负责人 Mary Ann Meador 说。“保持凝胶结构是最重要的。”


气凝胶提供了非常有效的绝缘，因为它们非常多孔并且孔隙在纳米范围内。人眼看不到纳米孔。这些孔隙的存在使气凝胶如此擅长绝缘。


“孔隙非常小，气相热传导非常差，”Meador 说。“空气分子不能穿过气凝胶，因此通过材料的热传递很差。”


传统的二氧化硅基气凝胶已成功用于许多应用，例如在火星探测器上提供绝缘。它们也被用于许多商业产品中。当气凝胶用于商业目的时，它们通常呈颗粒形式或与其他材料复合。气凝胶已与棉絮相结合以制造绝缘“毯子”，并填充在玻璃板之间以制造用于日光应用的半透明面板。


二氧化硅基气凝胶非常轻，因为它们的孔隙率约为 95%。二氧化硅气凝胶非常有用，但也有局限性——它们非常脆弱。


研究人员提取处于“绿色”状态的管状气凝胶材料样品。
美国宇航局创造了完全由聚合物制成的气凝胶。这些极其坚固和柔韧的气凝胶可以制成可弯曲的薄膜。在这里，Glenn 的 Stephanie Vivod 使用新方法制造气凝胶。
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气凝胶创新


NASA 与行业合作伙伴一起研究了不同类型气凝胶的多种用途。在美国宇航局基础航空计划（高超音速和亚音速固定翼项目）和探索系统任务理事会的资助下，美国宇航局格伦研究中心开发了两种彻底改变气凝胶技术的尖端方法。


第一项创新是一种制造由聚合物增强的气凝胶的方法。该方法在凝胶与聚合物反应时改变了凝胶的表面。结果是气凝胶的内表面得到了一层薄薄的聚合物，这大大增强了气凝胶的强度。


“如果你将聚合物增强的二氧化硅气凝胶与相同密度的硅胶进行比较，聚合物增强的气凝胶大约要强两个数量级，”Meador 说。


这些聚合物增强气凝胶提供与典型气凝胶相同的绝缘性能，并且可以是半透明的。它们与二氧化硅气凝胶具有相同的积极属性，而且不易碎。Glenn 团队使用他们的专利方法创造了许多不同的气凝胶，这些气凝胶具有不同的聚合物。Glenn 还与马萨诸塞州诺斯伯勒的 Aspen Airgel 合作开发了一种聚合物增强气凝胶，该气凝胶与纤维相结合，形成了一种新产品。


第二项创新是一种制造完全由聚合物制成的气凝胶的方法。这些基于聚合物的气凝胶非常坚固和灵活。它们也可以制成可弯曲的薄膜。


气凝胶材料样品的光散射和透光特性演示。
美国宇航局开发了制造聚合物增强气凝胶的方法。这些气凝胶更强，可以是半透明的。
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飞行中的气凝胶


Glenn 团队目前正在开展一个名为高超音速充气气动减速器 (HIAD) 的 NASA 项目。HIAD 是一种充气式再入飞行器，可折叠并存放在运载火箭内。在进入大气层之前，HIAD 会膨胀并变硬。这有助于航天器减速、安全下降并降落在地球、火星或任何其他有大气层的行星上。


HIAD 使更大的质量能够更缓慢、更安全地通过大气层，并减少车辆承受的热量。HIAD 由灵活的热保护系统覆盖，该系统使用气凝胶作为绝缘体来保护有效载荷。


基于薄膜聚合物的气凝胶非常适合 HIAD 的需求。HIAD（由基础航空计划的高超声速项目资助）计划于 2012 年进行飞行测试。一个重要的组成部分将是柔性热保护系统（由高超声速项目和美国宇航局首席技术专家下的空间技术计划资助）。柔性热保护系统使用由 Aspen Aerogels 创建的基线气凝胶绝缘毯。随后的测试发布可能包括新的基于薄膜聚合物的气凝胶，作为对基线绝缘的改进。


“该项目想要一种更灵活、更可折叠、不会灰尘、不会脱落绝缘颗粒的气凝胶，因此处理起来不会造成危险或混乱。为此，我们开始研究不同种类的聚合物和技术可以使这种气凝胶更加灵活，”Meador 说。


该团队确定，气凝胶中二氧化硅的存在排除了气凝胶具有柔韧性的能力，因此他们开始探索制造完全由聚合物制成的气凝胶的方法。他们开发了一种制造基于聚合物的气凝胶的方法，这种气凝胶具有完全的柔韧性，并且可以制成极薄的薄膜——这是以前没有的能力。这些气凝胶即使在高温下也很稳定。


基于聚合物的气凝胶具有 85-95% 的多孔性，这意味着它具有与传统气凝胶相同的优势。它的重量同样轻，并且具有与二氧化硅基气凝胶相同的导热性能。但是这些气凝胶提供了前所未有的灵活性，以及它们的耐用性和强度，以及被制成薄膜的能力。


“当我们确定它可以制成柔性薄膜时，我感到非常惊讶和惊讶，”Meador 说。“这是一个‘哇’的时刻！比我们预期的要好。”


气凝胶材料样品与 3 个硬币、1 个镍和 1 个便士的集合之间的重量比较。
新开发的气凝胶非常轻，可以做得很薄。这些气凝胶可用于太空和地球上的无数应用。
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气凝胶应用


这些薄膜是通过与俄亥俄州阿克伦市的阿克伦大学合作制造的，也已被送往其他政府机构和美国宇航局中心，这些中心对这项技术产生了兴趣。


“通常当人们看到它们时，他们会说‘哇，这是气凝胶？’”Meador 说。


其他 NASA 中心表示有兴趣进一步探索这些薄聚合物气凝胶，用于低温学或下一个太空服等应用。聚合物气凝胶非常适合在真空中使用，例如在太空中，以及在不同的重力场景中，例如月球或其他行星。


政府机构也有兴趣探索用于避难所应用的薄聚合物气凝胶，例如隔热帐篷。工业界也注意到了，制冷、建筑和施工、更新历史结构和许多其他绝缘需求的可能应用，特别是当空间不大且需要更小、更有效的绝缘时。

聚合物增强气凝胶和基于聚合物的气凝胶在太空、遥远的行星和我们自己的地球上都有许多潜在的应用。它们重量轻、耐用且在绝缘和防止热传递方面非常有效。NASA 将气凝胶提升到了一个新的水平，超出了以前的想象，并为这种多功能材料发现了无限可能。