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气凝胶:大显身手的材料之王

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如今,大到航空航天、国防工业,小到日常生活中的护膝鞋垫,到处都有气凝胶的身影。

气凝胶已经广泛应用于航天探测。中国祝融号火星车、俄罗斯和平号空间站、美国火星探路者探测器等,都采用了气凝胶作为隔热材料。

气凝胶在航天领域的应用远不止于此。早在20世纪末,气凝胶已经被制成尘埃收集器,用于收集宇宙中的彗星尘。

科学家认为,宇宙中的彗星尘包含着太阳系中最原始、最古老的物质,可帮助人类更清楚地了解太阳和行星的历史。但收集彗星尘却不是一件容易的事。彗星尘的体积比沙粒还小,运动速度却至少是步枪子弹的6倍。如此高速度接触其他物质,其物理和化学成分都可能发生改变,甚至完全蒸发。

氧化硅气凝胶本身的特性可以很好地解决这一问题。它就像一个极其柔软的棒球手套,极低的密度可以让尘埃缓慢减速不受损伤,千丝万缕的结构可以发挥良好的缓冲效果,使其滑行相当于自身长度200倍的距离后慢慢停下来。进入“气凝胶手套”后,星尘会留下一段胡萝卜状的轨迹。由于气凝胶几乎是透明的,科学家可以按照轨迹轻松地找到这些微粒。

美国国家宇航局在1999年发射的星尘号宇宙飞船,搭载了用气凝胶制成的尘埃收集器。2006年,星尘号带着人类获得的第一批彗星尘样品返回了地球,捕获的尘埃微粒清晰可见,且气凝胶单元均完好无损。这证明,氧化硅气凝胶是当之无愧的星际尘埃收集神器。

人们日常生活中常见的电动汽车也离不开气凝胶。

电动汽车主要以锂离子电池作为动力电池。极端条件下,电池热失控是电动汽车的首要安全问题。气凝胶隔热材料的应用,大大提高了新能源汽车的使用安全性。

气凝胶隔热片是一种基于氧化硅气凝胶和陶瓷纤维基材,复合得到的一种气凝胶复合隔热材料。它用于阻隔发热部位与设备外壳发生热传递。气凝胶毡具有导热系数低、隔热效果好和不燃性的特点。相比传统隔热材料,气凝胶毡只需1/5~1/3的厚度即可达到相同的隔热效果。目前,众多汽车动力电池厂家,均大规模采用二氧化硅气凝胶隔热复合毡作为动力电池组件的分隔材料。

此外,气凝胶在生产生活中也有着广泛的应用:气凝胶制成的轻薄防寒服可以抵御-196℃的液氮喷射;功能性纤维素气凝胶在吸附二氧化碳、甲醛等气体,以及去除废水中的重金属离子、有机染料、有机溶剂和油污水等方面具有天然的优势……

目前,人类可制备的气凝胶多种多样,每种气凝胶都有其专属且有趣的性能,并且已经在高科技设备和日常生活中成功应用。随着制备工艺不断完善和科技水平不断发展,气凝胶研制成本逐步降低。我们相信,气凝胶将会更广泛地应用于各行各业,为各个领域带来令人惊喜的变化。

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