一、文章概述
近年来，中国、美国和其他各国航空航天事业快速发展。我国“神州十三号”、美国Space-X“龙飞船”、Blue Origin“新谢泼德号”载人飞船的成功发射，标志着人类探索太空的进程又勇敢地跨出了一大步。航空航天领域载人飞船的成功离不开高科技材料产业的快速发展，“一代材料，一代技术，一代装备”，对材料的认识、研制、发展、应用能力是人类社会进步最基础、最原始、最本质的驱动力，它对整个国防事业的发展起着推动作用。
气凝胶作为一类轻质多孔材料，因其高效的隔热特性在航空航天领域受到越来越多的关注。它是一类由胶体粒子或高聚物分子构成的纳米多孔网络结构，并在气孔中充满气态分散介质的一种高分散固态材料。按照温度使用范围，可以将气凝胶分为低温隔热材料（低于600 ℃），中温隔热材料（600~1200 ℃）和高温隔热材料（高于1200 ℃）；按照其化学成分，可以将气凝胶划分为SiO2、Al2O3、ZrO2等氧化物气凝胶和炭气凝胶、碳化物气凝胶、硼化物气凝胶等非氧化物气凝胶，此外，还有一类特殊的气凝胶—纳米纤维气凝胶。该工作综述上述气凝胶近年来在航空航天领域的研究进展，以期待为相关的科学研究提供参考和借鉴。
SiO2气凝胶是一类最常见的氧化物气凝胶，纯净的SiO2气凝胶是透明的，但样品通常呈淡蓝，又被称作蓝色烟雾。它是目前开发最早、研究最多的气凝胶种类之一，作为高性能隔热材料已得到了广泛应用。SiO2气凝胶最早被美国宇航局用作空间飞船的宇宙尘和空间碎片的捕集器。作为隔热材料，它还被应用于“火星流浪者”设计中，用于抵挡－100 ℃火星夜晚的超低温。英国“美洲豹”战斗机的机舱隔热层也采用了SiO2气凝胶材料。SiO2气凝胶由原子团簇在空间相互缠结形成的三维网络结构组成，纳米团簇间通过较弱的物理或化学结合力组成相对稳定的微观或亚微观聚集体。但在650 ℃或更高温度时，团簇颗粒与团簇颗粒连接处极易发生破坏乃至坍塌，带来破坏性灾难，短期使用的最高温度不超过800 ℃。
相比SiO2气凝胶，Al2O3气凝胶的耐温性较高，能够在1000 ℃使用且保持完整的纳米孔结构，热导率值也很低，是有氧环境耐温和隔热性能较突出的气凝胶材料之一，在航空航天、工业窑炉等温度更高的隔热领域有很大的应用潜力。一旦使用温度超过1000 ℃，组成Al2O3气凝胶的颗粒发生烧结现象导致微观结构破坏，隔热性能下降。尽管Al2O3气凝胶使用温度和机械性能已经得到大大提升，且展示出优异的隔热性能，但现有研究表明，Al2O3气凝胶最高使用温度不超过1400 ℃，很难用于1500 ℃乃至更高温度。与SiO2和Al2O3相比，ZrO2气凝胶材料除具备优异的隔热性能外，还有高熔点特性，在高温隔热领域将发挥极大的潜力。同时ZrO2 热导率很低，如立方相ZrO2的热导率在100 ℃下为1.7W/(m?K)，在1300 ℃下为2.1W/(m?K)。所以ZrO2一直是重要的航空热障涂层材料和耐高温材料。但是纯ZrO2气凝胶耐温低、力学性能差从而导致其隔热效果差，目前关于ZrO2气凝胶应用于隔热领域的报道较少。
与上述氧化物气凝胶相比，作为非氧化物的炭气凝胶，可以在高达2000 ℃的真空环境使用，经石墨化后其使用温度高达3000 ℃，但受制于氧化特性，使用温度范围比较窄。在炭气凝胶得到快速发展同时，以短切纤维为增强体，酚醛溶胶为浸渍体酚醛浸渍碳纤维复合材料也得到了系统深入的研究，并不断被应用于航空航天领域，最典型的是一类叫做PICA（Phenolic Impregnated Carbon Ablator, PICA）的材料。PICA是一类低密度，低热导率和有优异防隔热性能的复合材料，可应用于高热流、高温等环境（>1 500 ℃），如飞行器返回舱大面积热防护系统。PICA已成功应用于美国火星科学国家实验室的“好奇号”探测着陆器，至今已完成三次对国际空间站的物资补给和材料运回工作。中国空间技术研究院联合哈尔滨工业大学研制的碳纤维增强炭气凝胶热防护材料，有十分优异的减重和高效热防护特性，能够胜任于未来高超飞行器再入大气层的极端高温环境。
尽管炭气凝胶及其复合材料在惰性气氛下有优异的耐高温特性，其最高温度可达到3000 ℃，但在空气气氛中抗氧化性较差。碳化物气凝胶除具有气凝胶的三维立体网络状结构和低热导率特性外，还具备极好的抗氧化性。当前，常见的碳化物气凝胶主要有SiC、ZrC，但对该气凝胶的研究较少，特别对大块碳化物气凝胶的研究尚处于初始阶段，将其作为高效隔热材料应用于具体工程项目的研究也较为匮乏，目前仅限于对材料的合成制备与性能表征的研究。与碳化物气凝胶相比，目前学者在硼化物气凝胶方面的研究范围窄，研究成果也相对较少。但硼化物气凝胶因其化学性能稳定、惰性强，在未来的某些领域可能有重要的应用。
除上述气凝胶外，纳米纤维气凝胶又是一类常见的气凝胶，如SiO2、碳、聚酰亚胺纳米纤维气凝胶，它们通常是采用纳米纤维与气凝胶复合或溶胶-凝胶结合静电纺丝技术得到。普通气凝胶内部纳米骨架网络结构缺陷多、连续性差，导致材料强度低、脆性大、稳定性差，外力作用下发生破坏乃至崩塌，造成不可逆结构破坏。与普通气凝胶相比，纳米纤维气凝胶兼具纤维的抗拉、抗冲击、可设计性和气凝胶的高效隔特性。陶瓷纳米纤维气凝作为一类纳米纤维气凝胶，除具备上述特性外，还有优异的耐高温、耐腐蚀及隔热性能，在未来高超声速飞行器热防护的材料方面有重要潜在应用。
二、亮点图片
三、结语与展望
气凝胶作为一种低密度、低热导率材料，因其优异的隔热特性近年来在航空航天领域受到广泛关注。目前，气凝胶材料已经在俄罗斯“和平”号空间站、美国“火星探路者”的探测器以及我国的“天问一号”火星探测器等航天飞行器上投入使用；也在粒子物理实验中，用来作为切连科夫效应的探测器。文章以航空航天领域对隔热材料的需求为背景，立足于科学技术的发展前沿，主要介绍了SiO2、Al2O3、ZrO2等氧化物气凝胶以及炭气凝胶、碳化物气凝胶、硼化物气凝胶在此领域的基础研究进展，并作如下展望：
（1）上述氧化物气凝胶除了具备低密度、良好的隔热特性外，还有优异的抗氧化性，均可以在800 ℃及以上有氧环境温度中使用，其使用的温度顺序从低到高依次为SiO2<ZrO2<Al2O3。但是耐温性不足是当前存在的主要问题之一，SiO2气凝胶使用温度一般在700℃左右，最高不能超过1000 ℃。当热环境温度高于1000 ℃乃至更高温度时，上述气凝胶的使用受限，除与高温辐射热传导系数高有关外，还与组成气凝胶的胶束颗粒的在高温下易烧结导致致密化有关。此外，由于组成气凝胶的胶束颗粒存在不同的晶体结构，Al2O3、ZrO2等气凝胶在高温下容易析晶发生晶型转变形成新的晶体结构，也是抑制气凝胶在高温使用的原因之一。可以通过加入红外遮光剂或相变抑制剂有效的阻隔辐射传热、抑制晶型转变，从而提高气凝胶的热稳定性。
（2）与氧化物相比，炭气凝胶、碳化物气凝胶、硼化物气凝胶等气凝胶因其在惰性气氛下优异的耐温性和隔热性能，大大拓宽了该类气凝胶在航空航天等高温领域的应用范围。但在长时有氧环境气氛下，炭气凝胶的耐温性急剧下降，而碳化物气凝胶却有极佳耐温性，这主要与其表面形成的致密氧化物薄膜层相关。在炭气凝胶的表面涂覆一层抗氧化涂层可以提高涂层与炭气凝胶基体的界面结合性，从而增强其高温抗氧化性。
（3）提高气凝胶的力学性能，满足其高温环境需求是当前重要的研究方向之一。由于气凝胶往往显示出刚脆性的特性，因此很难作为隔热材料单独使用，但当气凝胶与短切纤维、纤维毡、针刺纤维毡、2.5D纤维编织体等纤维增强体复合，得到纤维增强的复合材料，可以充分发挥气凝胶材料的高效隔热性能，在提高力学性能的同时满足高温环境的应用需求。
四、文章来源
邢悦, 井致远, 陈永雄, 任素娥, 梁秀兵. 航空航天用气凝胶材料的研究进展[J]. 材料导报, 2022, 36(22): 22010024-15.
XING Yue, JING Zhiyuan, CHEN Yongxiong, REN Sue, LIANG Xiubing. Research Process on Aerogel Materials Used for Aviation and Aerospace. Materials Reports, 2022, 36(22): 22010024-15.