仿自然高梯度气凝胶的成型机理、界面效应与功能设计

梯度气凝胶是一类仿自然的纳米多孔功能复合材料，在国防与航空等领域有重要的应用前景。然而，国内外关于梯度气凝胶的报道较少，其成分仅限于SiO2，应用仅限于太空高速粒子捕获，制备技术仅为美国加州理工学院喷气推进实验室所掌握（关键细节未曾公开），其成型机理也未见报道。本项目拟在2009年课题组开展梯度密度SiO2气凝胶制备研究的基础上，从梯度气凝胶的内应力分布、微裂纹效应与界面形成机制着手，对梯度气凝胶的差异化成型机理与界面效应进行研究；并在该理论的指导下，对其结构与物性进行精确控制；揭示单元气凝胶的构效关系，采用光学方法、显微成像以及X射线相衬成像等技术对梯度气凝胶进行无损测试；建立多种应用环境下的梯度设计模型，为梯度气凝胶的实际应用打下理论基础；应用差异化成型理论，拓展研究非SiO2成分梯度气凝胶。基于梯度气凝胶的应用基础研究还有助于理解自然界的梯度现象，为梯度理论探索提供案例。

本项目以梯度SiO2与非SiO2气凝胶为主要对象，针对梯度气凝胶的合成、成型机理与界面特性进行研究，并设计适合于特定应用的特殊梯度气凝胶材料。已完成的研究内容包括以下4个部分：(1) 单元气凝胶的构效关系；(2) 梯度密度SiO2气凝胶的制备及表征；(3) 非SiO2梯度密度气凝胶的制备及表征；(4) 梯度气凝胶的应用。获得气凝胶随微结构与光学或力学性质的构效关系，发现混合溶胶连续调控微结构的方法。分别采用分层粘贴法、逐层凝胶法和溶胶共凝法，逐渐降低界面的影响，逐步实现了从分层梯度到准连续梯度的调控。自行搭建了溶胶混合和梯度成型的制备装置，获得了厚度在3 cm以内、密度分布为20～200 mg/cm3的连续梯度密度SiO2气凝胶。应用梯度成型机理，获得了梯度密度RF/C气凝胶和浓度梯度气凝胶，并探索了横向梯度密度气凝胶的制备。通过微观形貌检测、力学测试、光谱分析与元素比例测定等手段揭示了不同类型界面的形成机制与界面效应，归纳了梯度密度气凝胶的成型机理。最后，通过材料参数设计，实现高速粒子捕获和准等熵稀疏压缩实验应用。在高速粒子捕获实验中，连续梯度密度SiO2气凝胶实现了3.2 km/s高速粒子的无损捕获，捕获深度仅约为1cm。在准等熵稀疏压缩实验中，采用超薄梯度RF飞片技术，加载曲线平缓，加载时间延时50%以上。本项目的研究为多种新型梯度气凝胶的制备和应用打下了基础。