【科普】看航天新材料如何“改变世界”
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从国家知识产权局传来喜讯，中国航天科工集团三院306所（简称306所）喜获“中国专利优秀奖”，获奖专利为“一种多组元气凝胶复合材料及其制备方法”。该奖项是306所科研人员长期不懈探索取得的又一成果。
气凝胶？
是不是听起来有种高大上的赶脚？其实，它是长这个样子的！
上图纸面上半透明的物质就是气凝胶，它表现出良好的透光性。而在25000倍的扫描电子显微镜下，气凝胶是这个样子。
气凝胶是一种具有纳米孔结构的轻质材料，被科学界誉为“改变世界的神奇材料”。
其特殊的结构为气凝胶带来了独特的性能：它的密度极低，甚至比同体积的空气更轻；它的比表面积很高，比方说，1克气凝胶的表面展开面积可达到1000平方米。这样特殊的结构，使得气凝胶的热导率为静止空气的一半，是目前已知热导率最低的隔热材料。
气凝胶与传统隔热材料热导率的对比
气凝胶真是个好东西，可这玩意怎么造呢？
气凝胶材料结构特殊，制备过程较为复杂，目前最为成熟的制备工艺是采用溶胶-凝胶技术制备湿凝胶，再通过超临界干燥技术得到气凝胶材料。以下是详细图解。
由于制备技术难度大，气凝胶材料最初仅在宇航等特殊领域中得到应用，如美国星尘号飞船用该材料收集彗星尘埃、俄罗斯和平号空间站和美国探路者火星探测器将其用于隔热等。
美国火星探测车和俄罗斯和平号空间站
在气凝胶研究方面
看看咱航天人的成绩单
为了满足我国新一代装备对高性能隔热复合材料的需求，306所科研人员开展了气凝胶材料研究。历经十余年的不懈努力，研制开发出使用温域覆盖-100℃至2500℃的系列化、规模化气凝胶产品，并可根据客户需求对材料性能进行调控定制。
上图就是典型气凝胶产品，使用效果看下图。
气凝胶材料经受住了长时间的1000℃高温考验，隔热效果一流！
306所的气凝胶相关产品按照形态和用途分为气凝胶构件、柔性毡、柔性布三大类。
气凝胶构件
气凝胶构件一般是针对特定的使用需求，通过精细化设计并制备出来的。科研人员通过调整配方及工艺，使构件具备最优的综合性能。这些不同功能的构件已成功应用于国防装备领域，推动了相关装备的升级换代。
典型气凝胶构件
气凝胶柔性毡
在气凝胶构件技术的基础上，科研人员深入开展低成本技术研究，开发出了气凝胶柔性毡产品，产品的幅宽可达1.5米，长度几十至数百米不等。在相同成本条件下，其隔热保温性能优于传统材料60%以上。该产品已经应用于热力管路、高速铁路车厢、大型舰船等保温领域，未来有望推动建筑节能、石油化工管道保温、高温炉体隔热保温等民用领域传统隔热材料的升级换代。
潜艇冷库保温用气凝胶毡
气凝胶柔性布
创新无止境。通过对隔热型气凝胶技术进行功能拓展和材料改性，科研人员又开发出气凝胶柔性布这一创新产品。
据该所气凝胶专业学术带头人赵英民介绍，“气凝胶柔性布是一种新型面料，具有重量轻、热导率极低、柔韧性优异、平整度高、疏水透气性和易用性良好等特点，适用于保暖服装、鞋帽、帐篷等户外用品和高温电子电器产品”。
气凝胶柔性布
目前，306所已经完成了气凝胶柔性布的中试生产以及气凝胶保温鞋的试制和初步推广，经过试穿，用户反馈气凝胶保温鞋在保暖、轻便、舒适等方面较传统冬靴具有显著优势。
加入气凝胶布的军用冬靴，试穿者们都说好！
能力建设情况
为了支撑气凝胶工程化技术研究，306所持续推进气凝胶生产条件建设，目前该所已建成亚洲最大的3500升超临界二氧化碳干燥设备平台。
上图是1500L超临界二氧化碳干燥设备，已经非常壮观了，3500L的则更加庞大！
为了推进气凝胶产业化进程，在国家发改委、财政部和镇江市政府等大力支持下，306所在镇江建成了民用低成本气凝胶材料生产线，可以批量制备大尺寸、不同规格、性能可调的高档气凝胶保温毡、柔性气凝胶布料等产品，已具备年产4万立方米气凝胶柔性毡和50万平方米气凝胶柔性布的产能。
关于知识产权保护
在开展科技创新及产品研发的同时，306所科研人员高度重视知识产权保护工作。截至目前，306所已经申请有关气凝胶的发明专利近30件，已获授权15件。
值得一提的是，2013年，306所《结构可控二氧化硅气凝胶隔热复合材料技术》项目喜获国家科学技术进步二等奖，进一步奠定了306所在国内同行业的领先地位。
展望未来
为了实现未来更好更快的发展，306所将坚持走“依托军品基石，强化自主创新，拓展应用领域，形成产业规模”的军民融合发展之路，继续开发高性能、低成本、可重复使用的气凝胶材料及相关产品，进一步完善知识产权保护工作，不断拓展气凝胶材料在隔热、催化、吸附、电容器等军民领域的应用，加速推动306所气凝胶技术跻身于国际领先水平的进程。
文字图片由邹军锋、詹万初、周清提供
编辑：正宇
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