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高速粒子与SiO2气凝胶的相互作用

SiO2气凝胶，高速粒子，空间碎片，捕获与防护

气凝胶是一种纳米多孔、轻质的功能性材料。这类材料具有众多优异的属性，使得它们的应用领域几乎不受限制而存在于不同的研究分支。而SiO2气凝胶又以其多种独特的性质在众多类气凝胶中脱颖而出，其作为收集器早已运用到空间科学中，“星尘”计划成功的利用梯度密度SiO2气凝胶收集了数千颗彗星81P/Wild-2的尘埃粒子并带回地面。SiO2气凝胶的超低模量使其缓冲能力增强，高速粒子温和减速；纳米骨架减小并匀化了冲击力，可以长效防护与无损捕获；在可见光-红外波段的透明特性使得无需切割气凝胶即可观察微粒与轨迹；高纯的SiO2成分可以区分宇宙物质，排除干扰。本课题组与中物院一所合作实现了不同密度分布的气凝胶样品在“神光II”强激光器上的打靶实验，实现速率高达3.2 km/s、大小在数微米-数百微米的高速液锡粒子的无损捕获，最佳捕获深度小于1 cm，且梯度密度气凝胶较单一密度气凝胶的捕获效果更好。之后与中科院空间中心合作进行了多次等离子体加速高速粒子捕获实验，实现不规则超高速粒子与气凝胶捕获媒质间复杂相互作用过程的反演，实验观察到粒子热效应气化、流线型、翻转等过程的证据；A-型冲击轨迹的L2段完美符合流体匀减速模型，可作为超高速粒子与气凝胶相互作用的一种新的分析方法；仿藕丝结构的超低密度SiO2气凝胶达到了较好的捕获效果，在对捕获介质的损伤降到最低的同时实现对高速粒子的无损捕获，并解释了冲击轨迹中烟圈效应的形成机制。本课题组还设计了扩散实验，将发光材质扩散到梯度密度气凝胶中，提高表征效率和捕获效果，且实验的梯度可设计，拟合度较高。SiO2气凝胶的捕获效果越好，其防护效果也越好，气凝胶也早已用到宇航服和飞行器外壳中来抵御空间微小碎片的伤害。