北航制備可編程超輕的磁性氣凝膠 有望減少航天航空設備發射成本

近日,來自北京航空航天大學的謝勇、陳子瑜和科羅拉多大學博爾德分校的Ivan Smalyukh合作領導的研究小組制備瞭可編程超輕磁性氣凝膠,有望用於航空航天飛行器及智能器件領域,從而減輕設備質量,降低運行成本,同時實現人和設備的遠程、非接觸互動。

月宮上是否真的住著孤獨的嫦娥?雲層之上是否真的有金碧輝煌的天宮?浩瀚的宇宙中是否真的有絕地武士?我們都曾夢想著可以遨遊宇宙,親自去尋找答案。近年來,高速發展的航空航天飛行器使我們離夢想越來越近,太空旅行計劃已經啟動,但是,高昂的發射成本卻讓大多數人望而卻步。在現有的技術下,發射1克物體的成本約等價為1克黃金。

制備流程

將鐵磁納米顆粒均勻地分散於氣凝膠前驅物溶液中,然後施加均勻的磁場使鐵磁顆粒擁有一致的磁化取向,等待溶液逐漸固化後,鐵磁顆粒將緊束縛在網絡結構中,從而保持一致的磁化方向,最後通過臨界幹燥,獲得密度僅為0.12 kg m-3的超輕磁性氣凝膠-即“空氣磁體”(aero-magnet)。

超輕磁性氣凝膠的制備流程。
超輕磁性氣凝膠的制備流程。

多樣的可編程性

由於內部鐵磁納米顆粒(單分散的鈷納米棒以及鋇鐵氧體納米盤)一致的磁化取向,磁性氣凝膠具有較高的磁各向異性。樣品的可編程性體現在:一方面,樣品的磁化強度大小可以通過控制鐵磁顆粒的摻雜濃度來進行線性調節。另一方面,可以通過設計施加外場的陣列來實現“空氣磁體”中磁疇的有序、可控取向。據此,研究者已經制備瞭單疇和雙疇的“空氣磁體”,研究瞭其磁性質,展示瞭相關的磁響應。對於單疇“空氣磁體”,研究者以環形磁鐵為底座,實現瞭單疇磁性氣凝膠的磁懸浮展示。對於雙疇“空氣磁體”,研究者將之制作成簡單的磁開關,實現瞭電路通斷的控制。除瞭以上超輕材質和可編程磁疇的性質,發展的“空氣磁體”還具有良好的疏水性和絕熱性,可以適用於真空、低溫的太空環境,以及潛在的節能材料領域。

單疇氣凝膠中鈷納米棒的一致取向測量(a, b),磁各向異性測量(c)以及磁化強度的調控(d− f),和磁懸浮(g),疏水(h)及絕熱性能(i)的展示。
單疇氣凝膠中鈷納米棒的一致取向測量(a, b),磁各向異性測量(c)以及磁化強度的調控(d− f),和磁懸浮(g),疏水(h)及絕熱性能(i)的展示。
雙疇氣凝膠的設計示意圖(a-c),在相反磁場下的磁響應(d, e),以及相鄰處形成的疇壁(f),磁化曲線測量(g)和磁各向異性測量(h),最後,通過磁開關展示瞭其潛在應用(i, j)。
雙疇氣凝膠的設計示意圖(a-c),在相反磁場下的磁響應(d, e),以及相鄰處形成的疇壁(f),磁化曲線測量(g)和磁各向異性測量(h),最後,通過磁開關展示瞭其潛在應用(i, j)。

此外,研究者們還探索瞭在磁場下“空氣磁體”的穩定性、力學性能以及內部鐵磁納米顆粒和氣凝膠網絡的相互作用,研究結果證明所得“空氣磁體”在強磁場下具有良好的穩定性,並估算瞭楊氏模量等力學參數,分析結果與實驗結果相吻合。

超輕磁性氣凝膠在磁場下的穩定性以及鐵磁納米顆粒與氣凝膠網絡相互作用的分析,以及力學性能的測試。
超輕磁性氣凝膠在磁場下的穩定性以及鐵磁納米顆粒與氣凝膠網絡相互作用的分析,以及力學性能的測試。

應用前景

可編程超輕的“空氣磁體”可應用於航空航天及智能器件領域,例如輕質微型衛星、航天飛機元器件等方面,以及空間站內宇航員和設備,以及宇航員之間相對進程的非接觸控制單元,已實現的“空氣磁體”將會減少航天航空設備的發射成本,不斷推動航空航天事業向前發展。

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