聚酰亞胺氣凝膠促進(jìn)天線和絕熱管道的發(fā)展

聚酰亞胺氣凝膠促進(jìn)天線和絕熱管道的發(fā)展

Polyimide Aerogels Boost Antennas,Insulate Pipes

為了開發(fā)一種可折疊在飛船內(nèi)部發(fā)射且能夠在飛船著陸階段展開產(chǎn)生拖曳力的充氣式減速裝置，美國國家航空航天局（NASA）的研究人員計劃研制一種輕質(zhì)、高強(qiáng)、柔性的高性能絕熱材料。這種新材料不僅可用于航天領(lǐng)域制作出更好的減速裝置、未來在火星探測中使用的手套，也可應(yīng)用于制作絕熱管道、天線等產(chǎn)品。

NASA格倫研究中心的高級研究員瑪麗·安·米多爾（Mary Ann Meador）是一名材料工程師，擁有多年的硅氣凝膠研究經(jīng)驗。硅氣凝膠是一種低密度的固體材料，其中布滿納米尺寸的孔，這種結(jié)構(gòu)使其具有極好的絕熱性能。通常，氣凝膠的制備過程為：將一種材料分散在一種溶劑中形成凝膠狀材料，就像果凍一樣；然后，將溶劑蒸發(fā)掉，使?jié)衲z中的溶劑被氣體所取代，形成一種具有很多微小氣泡的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即氣凝膠。氣凝膠密度小，且具有良好的絕熱性能，應(yīng)用前景廣闊，但是，這種材料也存在一些缺點，例如，由于其是由二氧化硅制成的，所以，這種氣凝膠具有低強(qiáng)度、高脆性等特點，非常易碎，就像玻璃一樣。

瑪麗·安·米多爾說：“我們試圖研制一種充氣式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可安裝在火箭防護(hù)罩中，用于火星探測。當(dāng)飛行器靠近火星時，就需要展開這種結(jié)構(gòu)，使其像在飛船前面的降落傘一樣產(chǎn)生拖曳力。”傳統(tǒng)上，飛行器殼體采用鈍頭體來幫助飛船在通過大氣層的過程中進(jìn)行減速。但是，為了在載人火星探測任務(wù)中將更重的載荷送到火星上，或者在火星的高緯度地區(qū)著陸時能夠足夠快地減速，研究人員需要開發(fā)更大的結(jié)構(gòu)。

最初，瑪麗·安·米多爾的研究團(tuán)隊計劃采用聚合物增強(qiáng)硅氣凝膠結(jié)構(gòu)的方法對氣凝膠進(jìn)行改性。試驗結(jié)果表明，這種改性方法可以改善硅氣凝膠的性能，但仍達(dá)不到充氣式減速裝置的使用要求。

▲ 柔性聚酰亞胺氣凝膠材料

為了解決這一問題，研究人員決定直接用聚合物材料制備一種氣凝膠材料。聚酰亞胺是目前綜合性能最佳的有機(jī)高分子材料之一，可耐400℃以上的高溫，而且具有良好的機(jī)械性能和絕熱性能。因此，考慮到用于充氣式減速裝置需能夠耐受593℃的高溫至少90s的時間，才能保證裝置不會在再入大氣層的過程中燒蝕壞，研究人員選擇聚酰亞胺材料作為原材料來制備有機(jī)氣凝膠材料。

瑪麗·安·米多爾及其研究團(tuán)隊成功采用聚酰亞胺材料制造出了氣凝膠。他們測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這種氣凝膠被切割成較厚的層狀材料時，其強(qiáng)度比聚合物增強(qiáng)硅氣凝膠高5倍。但是，使這種材料足夠薄，并實現(xiàn)可折疊是一項巨大的挑戰(zhàn)。

瑪麗·安·米多爾回憶說：“我們所研制的首批柔性聚酰亞胺氣凝膠材料的厚度約為6mm。我們與負(fù)責(zé)該項目的經(jīng)理開了一個會。他們并未對這種材料進(jìn)行什么測試，僅僅是把材料彎曲，并把它們撕成兩半，然后說，這還不夠好。”

瑪麗·安·米多爾笑著說：“這傷透了我們的心。我們最終將聚酰亞胺氣凝膠材料制作成了薄膜，厚度約為0.5mm。在這種情況下，這種材料就能夠折疊、展開而不會產(chǎn)生裂紋了。”如果將聚酰亞胺氣凝膠材料制作成多層結(jié)構(gòu)，就可以既保持其可折疊特性，也能夠滿足用于熱防護(hù)系統(tǒng)的絕熱性能要求。

2015年，美國馬薩諸塞州斯賓塞市的FLEXcon公司在NASA技術(shù)日展覽活動中格倫研究中心的展臺上發(fā)現(xiàn)了這一技術(shù)。FLEXcon公司的原始設(shè)備制造主管肯·科爾丹（Ken Koldan）解釋說：“從那時開始，F(xiàn)LEXcon公司開始關(guān)注其他開發(fā)制造氣凝膠的公司，并偶然發(fā)現(xiàn)了Blueshift公司。FLEXcon公司向Blueshift公司投資，與其開展了合作。我們很快達(dá)成了共識：直接向NASA申請聚酰亞胺氣凝膠技術(shù)的授權(quán)。”最終，F(xiàn)LEXcon公司從NASA格倫研究中心獲得了聚酰亞胺氣凝膠技術(shù)的使用許可授權(quán)。

Blueshift公司也在進(jìn)行聚酰亞胺氣凝膠的研究，但采用其工藝制備的聚酰亞胺氣凝膠的絕熱性能不如瑪麗·安·米多爾的產(chǎn)品好。在技術(shù)授權(quán)協(xié)議簽訂后，F(xiàn)LEXcon公司、Blueshift公司得以與NASA格倫研究中心的研究人員合作開展研究，以更大的規(guī)模生產(chǎn)達(dá)到NASA性能指標(biāo)的高性能聚酰亞胺氣凝膠材料。FLEXcon公司銷售成卷的聚酰亞胺氣凝膠產(chǎn)品，每卷長約30m，厚度從0.05mm到2mm不等。

聚酰亞胺氣凝膠的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，導(dǎo)熱率非常低。聚酰亞胺氣凝膠薄膜主要用于在極端環(huán)境中纏繞在管道上對絕熱管道進(jìn)行保護(hù)。此外，F(xiàn)LEXcon公司還在開拓聚酰亞胺氣凝膠在消費品市場中的應(yīng)用，例如，用其為戶外運動員設(shè)計一款高檔外套等。

聚酰亞胺氣凝膠是一種開放式結(jié)構(gòu)，能夠允許水分蒸發(fā)出來，同時具有良好的絕熱性能。這種輕薄而柔軟的材料意味著能夠生產(chǎn)出體積更小的產(chǎn)品。聚酰亞胺氣凝膠材料也非常適用于制作天線，因為其多孔結(jié)構(gòu)使其具有低介電常數(shù)與介電損耗。肯·科爾丹說：“由于聚酰亞胺氣凝膠材料的密度僅為0.15g/cm3，介電常數(shù)為1.2，所以，用其制作的天線質(zhì)量可減輕70%，而通信范圍可擴(kuò)展80%。這也是FLEXcon公司對聚酰亞胺氣凝膠感興趣的另一個原因。所有涉及電磁輻射的地方都可以應(yīng)用這種材料，例如，汽車后保險杠的防撞探測器、飛機(jī)雷達(dá)、無線路由器等。”政府機(jī)構(gòu)現(xiàn)已對FLEXcon公司的聚酰亞胺氣凝膠表現(xiàn)出了興趣，希望使用聚酰亞胺氣凝膠開發(fā)一種軍用天線。未來，這種材料也將很快引起私營企業(yè)的關(guān)注。

肯·科爾丹說：“聚酰亞胺氣凝膠材料在絕熱市場中的應(yīng)用潛力相當(dāng)大。隨著電子產(chǎn)品的小型化和高速化，它們產(chǎn)生的熱量也越來越多。因此，將熱量和低溫與物體分離將越來越重要。而使用氣凝膠產(chǎn)品就是一種很有效的方法。”

FLEXcon公司已經(jīng)從對NASA開發(fā)的聚酰亞胺氣凝膠技術(shù)的投資中獲得了回報：Blueshift公司新聘用了5名員工，以應(yīng)對不斷增加的商業(yè)需求。

肯·科爾丹說，他最感到激動的是，布魯克林的最終前沿設(shè)計（Final Frontier Design）公司獲得了一項NASA小企業(yè)創(chuàng)新研究計劃（SBIR）合同，將采用聚酰亞胺氣凝膠材料設(shè)計新一代航天服的手套，或?qū)⒂糜谳d人火星任務(wù)中。這種緊身的機(jī)械抗壓手套能夠減小體積，并降低手套在太空中被戳破的風(fēng)險。

他說：“自從大約6 0年前，邁爾斯麥克唐納（Myles McDonough）創(chuàng)立FLEXcon公司以來，F(xiàn)LEXcon公司一直在不斷進(jìn)步。與NASA的合作為其開啟了新的大門。” (楠 甜)

▲ 研究人員正在測試可充氣式熱防護(hù)系統(tǒng)