北航制备可编程超轻的磁性气凝胶 有望减少航天航空设备发射成本

近日,来自北京航空航天大学的谢勇、陈子瑜和科罗拉多大学博尔德分校的Ivan Smalyukh合作领导的研究小组制备了可编程超轻磁性气凝胶,有望用于航空航天飞行器及智能器件领域,从而减轻设备质量,降低运行成本,同时实现人和设备的远程、非接触互动。

月宫上是否真的住着孤独的嫦娥?云层之上是否真的有金碧辉煌的天宫?浩瀚的宇宙中是否真的有绝地武士?我们都曾梦想着可以遨游宇宙,亲自去寻找答案。近年来,高速发展的航空航天飞行器使我们离梦想越来越近,太空旅行计划已经启动,但是,高昂的发射成本却让大多数人望而却步。在现有的技术下,发射1克物体的成本约等价为1克黄金。

制备流程

将铁磁纳米颗粒均匀地分散于气凝胶前驱物溶液中,然后施加均匀的磁场使铁磁颗粒拥有一致的磁化取向,等待溶液逐渐固化后,铁磁颗粒将紧束缚在网络结构中,从而保持一致的磁化方向,最后通过临界干燥,获得密度仅为0.12 kg m-3的超轻磁性气凝胶-即“空气磁体”(aero-magnet)。

超轻磁性气凝胶的制备流程。
超轻磁性气凝胶的制备流程。

多样的可编程性

由于内部铁磁纳米颗粒(单分散的钴纳米棒以及钡铁氧体纳米盘)一致的磁化取向,磁性气凝胶具有较高的磁各向异性。样品的可编程性体现在:一方面,样品的磁化强度大小可以通过控制铁磁颗粒的掺杂浓度来进行线性调节。另一方面,可以通过设计施加外场的阵列来实现“空气磁体”中磁畴的有序、可控取向。据此,研究者已经制备了单畴和双畴的“空气磁体”,研究了其磁性质,展示了相关的磁响应。对于单畴“空气磁体”,研究者以环形磁铁为底座,实现了单畴磁性气凝胶的磁悬浮展示。对于双畴“空气磁体”,研究者将之制作成简单的磁开关,实现了电路通断的控制。除了以上超轻材质和可编程磁畴的性质,发展的“空气磁体”还具有良好的疏水性和绝热性,可以适用于真空、低温的太空环境,以及潜在的节能材料领域。

单畴气凝胶中钴纳米棒的一致取向测量(a, b),磁各向异性测量(c)以及磁化强度的调控(d− f),和磁悬浮(g),疏水(h)及绝热性能(i)的展示。
单畴气凝胶中钴纳米棒的一致取向测量(a, b),磁各向异性测量(c)以及磁化强度的调控(d− f),和磁悬浮(g),疏水(h)及绝热性能(i)的展示。

 

双畴气凝胶的设计示意图(a-c),在相反磁场下的磁响应(d, e),以及相邻处形成的畴壁(f),磁化曲线测量(g)和磁各向异性测量(h),最后,通过磁开关展示了其潜在应用(i, j)。
双畴气凝胶的设计示意图(a-c),在相反磁场下的磁响应(d, e),以及相邻处形成的畴壁(f),磁化曲线测量(g)和磁各向异性测量(h),最后,通过磁开关展示了其潜在应用(i, j)。

此外,研究者们还探索了在磁场下“空气磁体”的稳定性、力学性能以及内部铁磁纳米颗粒和气凝胶网络的相互作用,研究结果证明所得“空气磁体”在强磁场下具有良好的稳定性,并估算了杨氏模量等力学参数,分析结果与实验结果相吻合。

超轻磁性气凝胶在磁场下的稳定性以及铁磁纳米颗粒与气凝胶网络相互作用的分析,以及力学性能的测试。
超轻磁性气凝胶在磁场下的稳定性以及铁磁纳米颗粒与气凝胶网络相互作用的分析,以及力学性能的测试。

应用前景

可编程超轻的“空气磁体”可应用于航空航天及智能器件领域,例如轻质微型卫星、航天飞机元器件等方面,以及空间站内宇航员和设备,以及宇航员之间相对进程的非接触控制单元,已实现的“空气磁体”将会减少航天航空设备的发射成本,不断推动航空航天事业向前发展。

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