CN108466706A - 气凝胶组装的开孔泡沫结构空间碎片捕获装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气凝胶组装的开孔泡沫结构空间碎片捕获装置，包括低放气材料制作的壳体以及固定在壳体内的泡沫金属结构，其中泡沫金属结构的孔隙中组装有气凝胶，用于微小空间碎片的在轨捕获。本发明利用泡沫金属结构和气凝胶组合的毫米级和微米级空间碎片捕获装置，安装在航天器的迎风面上，可以实现对空间碎片尤其是微小空间碎片的在轨捕获。

Description

气凝胶组装的开孔泡沫结构空间碎片捕获装置

技术领域

本发明属于空间碎片探测与捕获技术领域，具体涉及一种气凝胶组装的开孔泡沫结构空间碎片捕获装置。

背景技术

在太空环境中，“空间碎片”(亦称太空垃圾)是人类航天活动遗弃在空间的废弃物，是空间环境的主要污染源。从1957年发射第一颗人造地球卫星以来，空间碎片总数已经超过4千万个，总质量已达数百万公斤，地面望远镜和雷达能观测到的空间碎片平均每年增加大约200个，大于10厘米的空间碎片现在已经超过了9200个。空间碎片主要分布在2000公里以下的低轨道区，它们对近地空间的航天器构成严重威胁。

空间碎片尺寸范围包含微米级、毫米级、厘米级，甚至米级，其中，厘米级及其以上空间碎片主要是运载火箭上面级、任务终了的航天器、工作时遗弃的物体、意外的解体碎片、三氧化二铝残渣、钠钾颗粒等；毫米级空间碎片主要是航天器表面剥落碎片、溅射物、三氧化二铝残渣、钠钾颗粒、微流星体、意外的解体碎片等；微米级空间碎片主要包含剥落碎片、溅射物、三氧化二铝粉尘、微流星体等。

大于10厘米的空间碎片将导致航天器毁灭性损坏，由于目前能够通过地基望远镜或雷达测定其轨道，可以采取预警规避的策略有效地防止其伤害；厘米级空间碎片也可以导致航天器彻底损坏，目前尚无切实可行的防护措施，唯一办法是在航天器设计及运营上，设法降低使航天员及航天器发生致命性损害的风险；毫米级空间碎片能够导致航天器表面产生撞坑甚至使舱壁穿孔，撞击部位不同，危害的程度也会有很大差异。

目前，为了探测空间碎片的位置，需要设计不同的空间碎片的探测装置，其中，空间碎片探测器按照撞击感知传感器的不同可以分为压电型探测器、半导体型探测器、电离型探测器等。

压电型探测器采用高性能的压电材料作为传感器，主要有聚偏二氟乙烯（PVDF）传感器和压电陶瓷（PZT）传感器。其中，PVDF探测器是常用的探测手段，其探测原理是利用PVDF薄膜的压电效应，即当空间粉尘高速碰撞PVDF薄膜时，在撞击力作用下会产生一个不可逆的弹坑，同时在薄膜的两个电极上产生电荷信号。测量电路对该电荷信号进行分析可以得到粉尘粒子的速度和质量等信息，适合用作微小空间碎片和微流星体的探测传感器。

半导体型探测器的工作原理是在高纯度硅（Si）晶片上氧化出一层很薄的二氧化硅（SiO₂），再在二氧化硅（SiO₂）膜上镀一层铝膜，硅、二氧化硅膜和铝膜形成一个平板电容器，常称为MOS半导体传感器。用MOS传感器制作成空间粉尘探测器，称之为半导体型探测器。当探测器工作时，由外部电路给电容器提供偏置电压。当空间粉尘与传感器发生碰撞穿过铝膜和二氧化硅膜时，电容就会放电产生电流，在外部电路中产生一个电信号，通过对该信号的分析可得到微小空间碎片或微流星体的信息。

撞击电离型探测器最常用的是等离子体型探测器，其基本原理是当微小空间碎片与探测器的纯金靶心发生碰撞时，巨大动能产生等离子体云；通过对等离子体的测量，可以获得空间碎片的质量、速度和成分等信息。

然而，以上所有的空间碎片探测装置均是属于间接探测，实际的空间碎片，尤其是微小碎片的组成、大小、形状等并不清楚。因此，通过在轨收集空间碎片，尤其是微小碎片，对研究空间碎片的在轨分布、大小、尺寸等有重要意义。

目前，气凝胶是一种由超微颗粒相互聚结构成的并以空气作为分散介质的高分散固态材料,是目前世界上密度最低、热导率最小的固体材料。由于气凝胶具有高通透性的三维纳米多孔网络结构,使其呈现出很高的比表面积(600-1200m^２/g)和孔隙率(高达９０％以上),以及其它许多优异的特性,因此在隔热、隔音、气体过滤器、吸附介质、催化等领域都有巨大的应用价值。

气凝胶种类广泛，包括SiO₂气凝胶、TiO₂气凝胶、MnO₂气凝胶等。由于纯气凝胶往往具有强度低、韧性差、纳米孔结构在外力作用下易破坏等缺点，目前正在发展柔性气凝胶，如纯的气凝胶、纤维增强气凝胶、聚合物交联气凝胶以及聚合物复合气凝胶等，从而使气凝胶具有较好的弹性和结构回复性。以柔性SiO_２气凝胶的制备方法为例，主要包括衍生法制备纯柔性气凝胶、纤维增强、聚合物交联等３种（雷萍,郑绪东,尚善斋等。柔性气凝胶的制备与应用。功能材料，2016，增刊(Ⅰ)：101-106）。

含有一定数量孔洞的固体称为多孔材料，是一种由相互贯通或封闭孔洞构成网络结构的材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板组成。按照孔隙率大小，可以将多孔材料分为中低孔隙率材料和高孔隙率材料。其中，高孔隙率材料主要包括蜂窝材料、开孔泡沫材料和闭孔泡沫材料三类。开孔泡沫材料由于其孔隙率较高且孔洞联通，可以用作轻质填充材料或结构材料。

泡沫金属是多孔材料的一类，是具有多孔结构的金属材料，由金属基体和孔隙相复合而成，具有高孔隙率和较大的孔隙范围，孔隙直径为毫米级甚至更大，孔隙率最高可达99%。根据基体不同可以分为泡沫铝、泡沫铁、泡沫镍和泡沫铜等。根据孔洞形态，则可以分为闭孔泡沫金属和通孔泡沫金属或开孔泡沫金属。通孔泡沫金属的制备方法包括渗流铸造法、熔模铸造法、空心球烧结法、金属粉末烧结法和金属法等。由于具有多孔结构，泡沫金属通常质量较轻，而且多孔结构也可以较好的增强对空间碎片撞击的缓冲时间，因此，泡沫金属可以用空间碎片的防护结构或防护材料。在本发明中，则可以用于实现对拟捕捉空间碎片的减速。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种气凝胶组装的开孔泡沫结构空间碎片捕获装置，该捕获装置利用泡沫金属结构，并在其泡沫孔内部组装气凝胶，实现对空间毫米级和微米级空间碎片的在轨捕捉，并尽可能保持微小碎片在轨的形貌不受破坏，以对空间微小碎片的大小、形貌和成分进行研究。

气凝胶组装的开孔泡沫结构空间碎片捕获装置，包括低放气材料制作的壳体以及固定在壳体内的泡沫金属结构，其中泡沫金属结构的孔隙中组装有气凝胶，用于微小空间碎片的在轨捕获。

其中，微小空间碎片是指毫米级或微米级的空间碎片。

其中，泡沫金属结构为三维开孔泡沫结构，由金属基体和孔隙相复合而成，具体为泡沫镍、泡沫铝、泡沫铁或泡沫钴。

进一步地，泡沫金属结构的制备方法采用渗流铸造法、熔模铸造法、电沉积法进行制备，其孔径为0.1mm到1cm，孔隙率为50%到99%，密度为0.1g/cm³到1.5g/cm³。

其中，气凝胶通过溶胶凝胶法或衍生法进行制备。

进一步地，通过溶胶凝胶法制备气溶胶时，在溶胶阶段，将金属泡沫结构沉浸在溶胶中，然后进行凝胶和干燥，制备组装气凝胶的开孔泡沫结构。进一步地，所述气凝胶为SiO₂气凝胶或镍气凝胶。

进一步地，通过衍生法进行气溶胶制备时，这里补充主要过程。进一步地，所述柔性气凝胶为柔性SiO₂气凝胶。

其中，组装气凝胶后的开孔泡沫结构加工成一定平面形状后，在其四周用铝合金的低放气材料作为壳体进行固定的。

本发明利用泡沫金属结构和气凝胶组合的毫米级和微米级空间碎片捕获装置，安装在航天器的迎风面上，可以实现对空间碎片尤其是微小空间碎片的在轨捕获。

附图说明

图1为现有技术中的泡沫金属结构的结构示意图；

图2为本发明的开孔泡沫结构与气凝胶组装示意图；

图3为本发明的气凝胶组装的开孔泡沫结构空间碎片捕获装置的结构示意图；

图4为本发明的气凝胶组装的开孔泡沫结构空间碎片捕获装置的使用状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但这仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。下面结合附图对本发明专利作进一步的说明。

本发明的核心是首先制备泡沫金属结构，进而在泡沫金属内容沉积制备气凝胶，从而制备出空间碎片捕捉装置。当微小碎片撞击到该装置上后，由于泡沫金属具有较好的缓冲作用，可以实现对微小空间碎片的降速，而气凝胶则可以实现对微小碎片的固定，同时，也具有一定的对微小碎片的降速作用。

实施例1 泡沫铝多孔金属结构基底上组装SiO₂气溶胶

首先，制备三维开孔泡沫结构。

三维开孔泡沫结构可以为泡沫镍、泡沫铝、泡沫铁、泡沫钴等材料。制备方法可以采用渗流铸造法、熔模铸造法、电沉积法等。三维开孔泡沫结构孔径为0.1mm到1cm，孔隙率为50%到99%，密度为0.1g/cm³到1.5g/cm³。

本方案将采用渗流法来制备开孔泡沫铝结构。

（1）首先对拟采用的填料食盐在600℃下保温0.5h，以去除结晶水；

（2）然后将预处理后不同粒径的食盐粒子装入模具，并在一定的压力下对颗粒进行预紧实；

（3）然后将模具与粒子一起放入炉内进行预热，预热温度控制在640℃左右，等待浇注；

（4）在电阻坩锅炉内熔化铝液并过热至预定的温度750℃，加入O.4％(质量分数)的C₂Cl₆除气精炼；

（5）撇渣后即浇人模具，铝液在重力和0.03MPa的活塞压力下向可溶性粒子内渗透，冷却后即可得到铝与食盐粒子的复合体；

（6）用热水溶解的方法将食盐粒子去除后即可得到泡沫铝合金。孔隙率可达到83%，密度约为0.9g/cm3，孔径可达到0.8mm。

第二，在开孔泡沫结构内部组装气凝胶。如图2。

可以利用溶胶凝胶等方法制备气凝胶。在溶胶阶段，将开孔泡沫结构沉浸在溶胶中，然后进行凝胶和干燥，制备组装气凝胶的开孔泡沫结构。凝胶结构介质材料、金属材料等，例如SiO2气凝胶、镍气凝胶等。其中，SiO2气凝胶密度可达到0.16mg/cm3，镍气凝胶密度可以达到0.9mg/cm3。为增强气凝胶的弹性，可以组装柔性气凝胶，如利用衍生法制备纯柔性SiO2气凝胶。

在本方案中，将在开孔泡沫铝合金中组装SiO₂气凝胶。

（1）将乙醇:水:正硅酸乙酯的摩尔比例按照6:4:1的比例混合，利用盐酸先将溶液PH值调节到5，在60℃温度下水浴约90分钟，使其充分水解，之后利用氨水进一步将溶液调节到PH值为8；

（2）在将溶液转移到密闭容器中，同时将待组装的泡沫铝多孔金属结构放置如溶液中，室温下形成醇凝胶；

（3）将组装后的泡沫铝结构放置到乙醇中，在60℃下浸泡24h，再用体积含量为80%的正硅酸乙酯乙醇溶液浸泡陈化48h，然后用无水乙醇在50℃下浸泡24h；

（4）之后在80℃干燥10小时，即可制备出组装SiO₂气凝胶的泡沫铝金属多孔结构装置。

第三，将开孔泡沫结构和气凝胶组合体加工为空间碎片收集装置。

将组装气凝胶后的开孔泡沫结构加工成一定的平面形状，如1m×1m×0.5m，在其四周用铝合金等低放气材料作为壳体固定。

实施例2 泡沫镍多孔金属结构基底上组装柔性SiO₂气溶胶

首先，制备三维开孔泡沫结构。

三维开孔泡沫结构可以为泡沫镍、泡沫铝、泡沫铁、泡沫钴等材料。制备方法可以采用渗流铸造法、熔模铸造法、电沉积法等。三维开孔泡沫结构孔径为0.1mm到1cm，孔隙率为50%到99%，密度为0.1g/cm3到1.5g/cm3。本方案采用聚氨酯泡沫塑料作为基体。工艺流程为：除油—粗化—敏化—活化—解胶—化学镀—电镀—干燥—灼烧。其中化学除油、粗化、敏化、活化都属于化学镀前的处理。

（1）首先采用中性乳化剂除油溶液将聚氨酯泡沫放入其中，在45℃温度下约10分钟，在这过程中，将溶液搅拌，之后用蒸馏水清洗干净。

（2）用30g/L的高锰酸钾和d=1.84的工业级硫酸粗化液对去油后的聚氨酯泡沫进行粗化，粗化温度约37℃，粗化时间大约5min。

（3）用30g/L氯化亚锡和d=1.19的化学纯盐酸配置的敏化液在45℃下敏化5 min，在敏化过程中，加入少量锡粒以抑制氯化亚锡的水解及Sn2+的氧化，直到泡沫材料表面生成一层乳白色的乳状物质。

（4）敏化过后将泡沫材料于37℃下放入到化学纯氯化钯和d=1.19的化学纯盐酸配置的活化液中活化大约5 min，直到泡沫材料表面有小气泡产生且黄色的活化液中有黑色物质金属钯生成。

（5）经活化后的泡沫材料用10％的盐酸溶液清洗1min以除去覆盖在Pd表面的凝胶层，使Pd原子露于表面．起催化作用。

（6）化学镀镍的条件为(g／L)：硫酸镍80，次亚磷酸钠24，醋酸钠1 2，硼酸8，氯化铵6。将预处理的泡沫基体材料放入化学镀镍溶液中，泡沫表面有气泡产生，30 min以后，泡沫材料表面的气泡产生明显减少，将其取出，表面上生成了一层薄的金属镍，用蒸馏水清洗备用。

（7）电镀镍是一种电化学过程，将泡沫浸人含有镍盐(如NiSO₄)的溶液中作为阴极，金属镍板作为阳极，接通直流电源后，就会在泡沫上沉积出金属镍镀层。开始通电电镀起初的2～3 min内，可将电流调为5A/dm2,之后调至2A/dm2,大约30min，即完成电镀。

（8）在60～70 C条件下烘干。

（9）在氢气氛围下， 950℃保温1 h，以去除泡沫镍的基体聚氨酯泡沫塑料。

即可得到开孔泡沫镍结构，孔隙率可达到97%，密度为0.2g/cm3，孔径可达到1mm。

第二，在开孔泡沫结构内部组装气凝胶。如图2。

同铝泡沫结构一样，在本方案中，将在开孔泡沫镍结构中组装SiO₂气凝胶。

（1）将乙醇:水:正硅酸乙酯的摩尔比例按照6:4:1的比例混合，利用盐酸先将溶液PH值调节到5，在60℃温度下水浴约90分钟，使其充分水解，之后利用氨水进一步将溶液调节到PH值为8；

（2）在将溶液转移到密闭容器中，同时将待组装的泡沫镍多孔金属结构放置如溶液中，室温下形成醇凝胶；

（3）将组装后的泡沫镍结构放置到乙醇中，在60℃下浸泡24h，再用体积含量为80%的正硅酸乙酯乙醇溶液浸泡陈化48h，然后用无水乙醇在50℃下浸泡24h；

（4）之后在80℃干燥10小时，即可制备出组装SiO₂气凝胶的泡沫铝金属多孔结构装置。

第三，将开孔泡沫结构和气凝胶组合体加工为空间碎片收集装置。

将组装气凝胶后的开孔泡沫结构加工成一定的平面形状，如1m×1m×0.5m，在其四周用铝合金等低放气材料作为壳体固定。

将制作好的气凝胶组装开孔泡沫结构空间碎片捕获安装在航天器的迎风面上。

尽管上文对本发明专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.气凝胶组装的开孔泡沫结构空间碎片捕获装置，包括低放气材料制作的壳体以及固定在壳体内的泡沫金属结构，其中泡沫金属结构的孔隙中组装有气凝胶，用于微小空间碎片的在轨捕获。

2.如权利要求1所述的捕获装置，其中，微小空间碎片是指毫米级或微米级的空间碎片。

3.如权利要求1所述的捕获装置，其中，泡沫金属结构为三维开孔泡沫结构，由金属基体和孔隙相复合而成，具体为泡沫镍、泡沫铝、泡沫铁或泡沫钴。

4.如权利要求3所述的捕获装置，其中，泡沫金属结构的制备方法采用渗流铸造法、熔模铸造法、电沉积法进行制备，其孔径为0.1mm到1cm，孔隙率为50%到99%，密度为0.1g/cm³到1.5g/cm³。

5.如权利要求1所述的捕获装置，其中，气凝胶通过溶胶凝胶法或衍生法进行制备。

6.如权利要求5所述的捕获装置，其中，通过溶胶凝胶法制备气溶胶时，在溶胶阶段，将金属泡沫结构沉浸在溶胶中，然后进行凝胶和干燥，制备组装气凝胶的开孔泡沫结构。

7.如权利要求5所述的捕获装置，其中，所述气凝胶为SiO₂气凝胶或镍气凝胶。

8.如权利要求5所述的捕获装置，其中，通过衍生法进行气溶胶制备时，这里补充主要过程；进一步地，所述柔性气凝胶为柔性SiO₂气凝胶。

9.如权利要求5所述的捕获装置，其中，组装气凝胶后的开孔泡沫结构加工成一定平面形状后，在其四周用铝合金的低放气材料作为壳体进行固定的。