本发明涉及一种气凝胶复合材料，以及包含该气凝胶复合材料的可伸展结构，本发明还涉及一种上述气凝胶复合材料在气候调节领域的应用，属于航空航天技术领域。
背景技术：
气凝胶是一种隔热效果优异的新材料，具有质量轻、热导率低、比较面积高、孔隙率高等特点，能够替代传统隔热材料，在航空航天领域得到广泛应用。气凝胶是在保持凝胶骨架结构完整的情况下，将凝胶内溶剂干燥后的产物，其是一种具有纳米多孔结构的非晶态低密度材料。二氧化硅气凝胶又被称作“蓝烟”、“固体烟”，是目前已知的最轻的固体材料，也是迄今为止保温性能最好的材料，被誉为“改变世界的神奇材料”。硅气凝胶普遍存在强度低、脆性大、颗粒脱落的现象，此现象主要是硅气凝胶的特性所决定，当然，再实际生产时，制作原料的混合反应效果也严重影响着硅气凝胶的强度和脆性。因此研发一种柔韧性好，可以反复弯折的气凝胶材料，对拓宽气凝胶在航空航天领域的应用，具有重要意义。
技术实现要素：
为解决现有技术中存在的问题，本申请实施例首先提供了一种气凝胶复合材料，在制备环节通过在气凝胶中复合石墨烯纤维，提高气凝胶的柔韧性。具体实施例的技术方案如下：
一种气凝胶复合材料，通过al2o3溶胶和sio2溶胶制成混合溶胶，将混合溶胶和纤维支撑材料进行复合，制成复合材料，制备al2o3-sio2气凝胶复合材料。
作为上述技术方案的改进，混合溶胶采用氯化铝、去离子水和乙醇混合，加入环氧丙烷，搅拌后15min～25min后静置，将形成的凝胶加入乙醇溶液中进行老化处理，然后将凝胶和乙醇溶液进行超临界干燥，得到稳定的al2o3溶胶；
然后将正硅酸乙酯、去离子水、乙醇混合，42℃～46℃水浴搅拌，加入盐酸，得到sio2溶胶，将其与al2o3溶胶混合，加入环氧丙烷，搅拌均匀后静置，待凝胶形成后，加入乙醇溶液中进行老化处理，然后将凝胶和乙醇溶液进行超临界干燥，得到稳定的al2o3-sio2气凝胶；
所述纤维支撑材料为石墨烯纤维，该石墨烯纤维通过石墨烯纺丝液溶胶在80℃～105℃下纺丝，然后用硼氢化钠还原，再用水合肼还原，将石墨烯纤维环境抽至真空，将al2o3-sio2气凝胶充入石墨烯纤维中，加入环氧丙烷，加入乙醇进行老化处理，然后进行超临界干燥，得到al2o3-sio2气凝胶复合材料。
该技术方案中al2o3-sio2气凝胶复合材料不仅具有气凝胶的耐高温、质轻的优点，还具有石墨烯纤维柔韧性好的优点，能够反复弯折使用。
本申请实施例还提供了一种应用了气凝胶复合材料的可伸展结构，包括壳体，所述壳体下方设置有姿态调节装置，所述壳体上远离姿态调节装置的一端设置有控制端，所述控制端两侧设置有太阳能接收装置，所述壳体中段设置有可伸展的气凝胶遮挡层。
作为上述技术方案的改进，所述壳体内设置有支撑杆，所述支撑杆上设置有滑动套，所述滑动套上活动连接有连接杆，所述连接杆上远离滑动套的一端设置有骨架，所述气凝胶遮挡层贴合在骨架表面，所述滑动套沿支撑杆表面滑动时、骨架携带气凝胶遮挡层展开。
作为上述技术方案的改进，所述骨架内开设有导向槽，所述气凝胶遮挡层上间隔设置有梭形连接件，所述骨架的导向槽内设置有伸缩管，所述梭形连接件与伸缩管固定连接。
作为上述技术方案的改进，所述支撑杆内部设置有驱动装置，所述驱动装置上设置有伸缩杆，所述伸缩杆上远离驱动装置的一端设置有活塞，所述活塞上固定连接有膨胀腔，所述膨胀腔与伸缩管之间设置有连接管，所述驱动装置驱动伸缩杆做伸缩运动、进而使膨胀腔处于压缩/膨胀状态，最终控制伸缩管做伸长/收缩运动。
作为上述技术方案的改进，所述伸缩管上远离支撑杆的一端设置有限位块，所述限位块随伸缩管收缩后受到导向槽阻挡限位。
作为上述技术方案的改进，所述支撑杆内外两侧的滑动套与活塞之间固定连接。
该技术方案中气凝胶遮挡层的作用有两个，第一，在其未伸展开之前，能够在支撑杆周围形成隔热层，保证支撑杆内部件和仪器能够免受壳体的高温影响；第二，在气凝胶遮挡层展开后，可以根据需要展开成相应的大小，以满足相应的科学研究和实验的需要。
本申请实施例还提供了的一种气凝胶复合材料在气候调节领域的应用，通过飞行器或者卫星将气凝胶复合材料送至预定的轨道，在气凝胶复合材料展开后形成遮挡层，对阳光进行阻挡，改善地表气候。
作为上述技术方案的改进，采用可伸展结构对气凝胶复合材料的空间位置进行调节。
上述技术方案通过飞行器或者卫星将气凝胶送至预定的轨道，在气凝胶展开面积足够大时，展开后的气凝胶可以对阳光进行阻挡和折射(类似于日食过程中月球对太阳的遮挡状态)，降低对阳光对地表的直射，这对于一些气候炎热的地区，在理论上是可以起到降低地表温度，达到改善气候的目的。
附图说明
图1为本发明实施例中应用了气凝胶复合材料的可伸展结构的结构示意图。
图2为图1中可伸展结构中与支撑杆关联的部件的示意图。
图3为图2中可伸展结构的导向槽的局部放大图。
图4为图2可伸展结构的限位块的局部放大图。
图5为本发明实施例中气凝胶复合材料在气候调节领域中的应用示意图。
图6为本发明实施例中关于地球绕太阳公转的轨迹示意图。
图7为图6中太阳光直射到赤道时的示意图。
图8为本发明实施例中关于太阳直射点移动轨迹的示意图。
具体实施方式
本发明实施例首先提供了一种气凝胶复合材料，通过al2o3溶胶和sio2溶胶制成混合溶胶，将混合溶胶和纤维支撑材料进行复合，制成复合材料，制备al2o3-sio2气凝胶复合材料。具体制备步骤如下：
(1)混合溶胶采用氯化铝、去离子水和乙醇混合，加入环氧丙烷，搅拌后15min～25min后静置，将形成的凝胶加入乙醇溶液中进行老化处理，然后将凝胶和乙醇溶液进行超临界干燥，得到稳定的al2o3溶胶；
(2)然后将正硅酸乙酯、去离子水、乙醇混合，42℃～46℃水浴搅拌，加入盐酸，得到sio2溶胶，将其与al2o3溶胶混合，加入环氧丙烷，搅拌均匀后静置，待凝胶形成后，加入乙醇溶液中进行老化处理，得到al2o3-sio2凝胶；
(3)纤维支撑材料为石墨烯纤维，该石墨烯纤维通过石墨烯纺丝液在80℃～105℃下纺丝，然后用硼氢化钠还原，再用水合肼还原，将石墨烯纤维环境抽至真空，将al2o3-sio2凝胶充入石墨烯纤维中，加入环氧丙烷，加入乙醇进行老化处理，然后进行超临界干燥，得到al2o3-sio2气凝胶复合材料。
在步骤(3)中，石墨烯纺丝液采用以下步骤制得：
首先，将石墨原料、硫酸、过硫酸钾和五氧化二磷混合，100℃搅拌混匀，过滤后干燥，将得到的石墨材料与硫酸和高锰酸钾混合，13℃下搅拌混匀，加入去离子水和双氧水搅拌匀速搅拌，过滤后清洗至ph中性，得到预氧化石墨烯；
然后，将预氧化石墨烯再次与硫酸和高锰酸钾混合，13℃下搅拌混匀，加入去离子水和双氧水搅拌匀速搅拌，过滤后清洗至ph中性，得到氧化石墨烯；
最后，将氧化石墨烯溶于丙酮-水混合溶剂中，超声处理后得到氧化石墨烯纺丝液，通过氧化石墨烯纺丝液即可进行纺丝得到石墨烯纤维。
以上制备方法中，为了增加al2o3-sio2凝胶与石墨烯纤维的结合可靠性，可以真空环境下的浸渍处理，保证石墨烯纤维表面完全浸渍有al2o3-sio2凝胶，使al2o3-sio2凝胶充分填充到石墨烯纤维的空隙中，最后通过超临界干燥，得到al2o3-sio2气凝胶复合材料。该al2o3-sio2气凝胶复合材料不仅具有气凝胶的耐高温、质轻的优点，还具有石墨烯纤维柔韧性好的优点，能够反复弯折使用。
如图1所示，本发明实施例还提供了一种应用上述气凝胶的可伸展结构，包括壳体10，壳体10下方设置有姿态调节装置11，壳体10上远离姿态调节装置11的一端设置有控制端12，控制端12两侧设置有太阳能接收装置13，壳体10中段设置有可伸展的气凝胶遮挡层30。其中姿态调节装置11可以是推进器，控制端12内设置有天线、通信设备以及一些用于空间探索的摄像设备、传感设备等。其中太阳能接收装置13可以是太阳能电池板，用于收集太阳能，保证控制端12内设备的正常运行，壳体10中段设置有可伸展的气凝胶遮挡层30，气凝胶遮挡层30可以在需要时伸展开，由于气凝胶密度只有3kg/m3左右，因此以一个20吨有效载荷的运载火箭来看，可以运送上千立方米的气凝胶进入到地球轨道内，但是由于气凝胶的体积很大，并且传统的气凝胶弯折性较差，而为了适应运载火箭和卫星内的有限空间，发射时需要将气凝胶折叠，然后在进入轨道后再将气凝胶展开，从而将大面积的气凝胶送入太空才具有可行性。
如图2、图3、图4所示，壳体10内设置有支撑杆20，支撑杆20上设置有滑动套21，滑动套21上活动连接有连接杆22，连接杆22上远离滑动套21的一端设置有骨架23，气凝胶遮挡层30贴合在骨架23表面，滑动套21沿支撑杆20表面滑动时、骨架23携带气凝胶遮挡层30展开。该方案提供了一种具体的气凝胶遮挡层30展开结构，在可伸展结构未进入到预定轨道前，骨架23和气凝胶遮挡层30紧贴在支撑杆20周围，处于收缩状态。当可伸展结构进入到预定的轨道后，骨架23和气凝胶遮挡层30从支撑杆20周围伸展开。气凝胶遮挡层30的作用有两个，第一，在其未伸展开之前，能够在支撑杆20周围形成隔热层，保证支撑杆20内部件和仪器能够免受壳体10的高温影响；第二，在气凝胶遮挡层30展开后，可以根据需要展开成相应的大小，以满足相应的科学研究和实验的需要。
更进一步的，骨架23内开设有导向槽231，气凝胶遮挡层30上间隔设置有梭形连接件46，骨架23的导向槽231内设置有伸缩管45，梭形连接件46与伸缩管45固定连接。支撑杆20内部设置有驱动装置40，驱动装置40上设置有伸缩杆41，所述伸缩杆41上远离驱动装置40的一端设置有活塞42，活塞42上固定连接有膨胀腔43，膨胀腔43与伸缩管45之间设置有连接管44，驱动装置40驱动伸缩杆41做伸缩运动、进而使膨胀腔43处于压缩/膨胀状态，最终控制伸缩管45做伸长/收缩运动。伸缩管45上远离支撑杆20的一端设置有限位块47，限位块47随伸缩管45收缩后受到导向槽231阻挡限位。该优选方案中，支撑杆20内部设置有驱动装置40，驱动装置40工作时可以控制伸缩杆41伸缩，进而推动活塞42沿支撑杆20内壁滑动，随着活塞42的运动，膨胀腔43也将逐步被压缩或膨胀，因为膨胀腔43和伸缩管45之间处于连通状态，因此伸缩管45也将随着膨胀腔43的压缩而膨胀，随着伸缩管45的膨胀伸长，梭形连接件46也将牵引气凝胶遮挡层30完成铺展动作。由于太空中接近真空，因此膨胀腔43内只需要很小的压力即可控制伸缩管45的伸展运动，并且由于本发明中的气凝胶能够反复弯折，因此可以将气凝胶折叠成多个褶皱进行收纳，并通过膨胀腔43向伸缩管45增压实现气凝胶遮挡层30的展开，实用性好。
更进一步的，支撑杆20内外两侧的滑动套21与活塞42之间固定连接，该设计可以将滑动套21与活塞42相互联动，从而在驱动装置40开启时，同时控制滑动套21滑动和活塞42的运动，实现骨架23和气凝胶遮挡层30同时展开。
基于上述技术方案中的可弯折的气凝胶复合材料和可伸展结构，可以实现气凝胶复合材料在相应轨道的展开，类似于在相应的卫星结构上复合了携带有气凝胶遮挡层的可伸展结构，从而实现特定的科学实验和宇宙观测应用。例如，可以通过姿态调节装置11控制壳体10的飞行姿态，然后打开气凝胶遮挡层30，通过气凝胶遮挡层30制造的遮挡结构，为特定星体的观测提供帮助。实现特定星体观测的仪器可以设置在控制端12内，也可以是附近轨道上的其他卫星。
更进一步的，如图5所示，上述方案中的可弯折的气凝胶复合材料和可伸展结构还可以应用在气候调节领域，其中可伸展结构位于地球50外侧的轨道上转动，在其运行到地球50与太阳51之间时，即可实现相应的遮挡地表阳光的作用。由于气凝胶复合材料自重轻，通过飞行器或者卫星将气凝胶复合材料送至预定的轨道，在气凝胶复合材料展开面积足够大时，展开后的气凝胶复合材料可以对阳光进行阻挡和折射(类似于日食过程中月球对太阳的遮挡状态)，降低对阳光对地表的直射，这对于一些气候炎热的地区，在理论上是可以起到降低地表温度，达到改善气候的目的，但是，由于气凝胶遮挡层30会随着卫星在轨道运行，因此随着时间的推移，在卫星移动到其他位置时，卫星对地表的遮挡区域也是随着时间转移的，以整个地表为整体来看，气凝胶遮挡层30在理论上仍然是可以起到调节气候的作用的。
实际使用过程中，利用火箭，宇宙飞船或飞行器带到太空，将气凝胶遮挡层30与现有的卫星结合起来，人为的制造一个“月亮”，具体的效果如下：第一，可以阻挡夏天灼热的阳光，这样用气凝胶阻挡和折射了阳光以后，在其遮挡的地表区域，夏季温度会有所降低；第二，在冬季可以阻止地表的红外热辐射，冬季则可以将地表辐射反射到地球表面，改善冬季寒冷的气候；第三，气凝胶遮挡层30由于始终在地球轨道内运行，因此不会对植物生长产生影响，并且气候的调整过程缓慢温和，会会调控大气环流，减少大雨、台风登陆、热浪侵袭、干旱洪涝泥石流等自然灾害，面对这些灾害，人类显得软弱无力，听天由命。太阳对地球地表的辐射能的不均匀分布及周期性改变，造就了地球上的风雨雷电，春夏秋冬及自然灾害。换而言之，若能人为调控地球地表的太阳辐射能的分布及规律，就可以人为的控制风雨雷电及春夏秋冬和自然灾害。
如图6、图7、图8所示，地球的自转产生了白天和黑夜，地球自转一周的时间是24小时。地球的公转产生了季节的变化。地球自转轴与地球的公转轨道面有一个66°34′的夹角，相应地，地球赤道面的夹角为23°26′。正是由于这个交角的存在，使地球在公转轨道不同的位置，太阳照射地面的直射点纬度存在变化，使地球表面接受的太阳辐射也存在变化，造成气温、大气环流的周期性变化，这种变化被称为季节，春分(3月21日前后)，太阳直射点在赤道(0°)，此后北移。夏至(6月22日前后)，太阳直射点在北回归线(23°26′n)上，此后南移。秋分(9月23日前后)，太阳直射点在赤道(0°)，此后继续南移。冬至(12月22日前后)，太阳直射点在南回归线(23°26′s)上，在此之后向北移动。在应用本实施例中的气凝胶复合材料和可伸展结构后，可以控制其所在的轨道，使其根据季节的不同运行到相应的位置，从而达到调节气候的目的。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明实施例的基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。