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  • 氣凝膠(Aerogel)是一種三維網絡結構的納米先進材料。當凝膠脫去大部分溶劑,使凝膠中液體含量比固體含量少得多,或凝膠的空間網狀結構中充滿的介質是氣體,外表呈固體狀,這即為氣凝膠。

    氣凝膠具有低密度、低導熱性、高孔隙率、耐高溫、不燃等優越性能,在航空航天、建筑、石油化工、軍工、熱能工程、交通運輸和家用電器等領域有非常廣闊的應用前景。

    簡介

    氣凝膠是一種固體物質形態,世界上密度最小的固體之一。密度為3千克每立方米。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠,最早由美國科學工作者Kistler在1931年因與其友打賭制得。

    氣凝膠的種類很多,有硅系,碳系,硫系,金屬氧化物系,金屬系等等。

    aerogel是個組合詞,此處aero是形容詞,表示飛行的,gel顯然是凝膠。字面意思是可以飛行的凝膠。任何物質的gel只要可以經干燥后除去內部溶劑后,又可基本保持其形狀不變,且產物高孔隙率、低密度,則皆可以稱之為氣凝膠。

    因為密度極低,目前最輕的氣凝膠僅有0.16毫克每立方厘米,比空氣密度略低,所以也被叫做“凍結的煙”或“藍煙”。由于里面的顆粒非常?。{米量級),所以可見光經過它時散射較?。ㄈ鹄⑸洌?,就像陽光經過空氣一樣。因此,它也和天空一樣看著發藍,如果對著光看則有點發紅。

    由于氣凝膠中一般80%以上是空氣,所以有非常好的隔熱效果,一寸厚的氣凝膠相當20至30塊普通玻璃的隔熱功能。即使把氣凝膠放在玫瑰與火焰之間,玫瑰也會絲毫無損。

     

    制備方法

    氣凝膠最初是由S.Kistler命名,由于他采用超臨界干燥方法成功制備了二氧化硅氣凝膠,故將氣凝膠定義為:濕凝膠經超臨界干燥所得到的材料,稱之為氣凝膠。在上世紀90年代中后期,隨著常壓干燥技術的出現和發展,科學界普遍接受的氣凝膠的定義是:不論采用何種干燥方法,只要是將濕凝膠中的液體被氣體所取代,同時凝膠的網絡結構基本保留不變,這樣所得的材料都稱為氣凝膠。

    氣凝膠的制備通常由溶膠凝膠過程和超臨界干燥處理構成。在溶膠凝膠過程中,通過控制溶液的水解和縮聚反應條件,在溶體內形成不同結構的納米團簇,團簇之間的相互粘連形成凝膠體,而在凝膠體的固態骨架周圍則充滿化學反應后剩余的液態試劑。為了防止凝膠干燥過程中微孔洞內的表面張力導致材料結構的破壞,采用超臨界干燥工藝處理,把凝膠置于壓力容器中加溫升壓,使凝膠內的液體發生相變成超臨界態的流體,氣液界面消失,表面張力不復存在,此時將這種超臨界流體從壓力容器中釋放,即可得到多孔、無序、具有納米量級連續網絡結構的低密度氣凝膠材料。

     

    研究單位

    國際上關于氣凝膠材料的研究工作主要集中在德國的維爾茨堡大學、BASF公司、美國的勞倫茲•利物莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室,法國的蒙彼利埃材料研究中心,日本高能物理國家實驗室等。國內主要集中在同濟大學波爾固體物理實驗室、國防科技大學、清華大學、浙江大學、哈爾濱工業大學、愛彼愛和新材料有限公司。

    重點應用

    硅氣凝膠纖細的納米網絡結構有效地限制了局域熱激發的傳播,其固態熱導率比相應的玻璃態材料低2—3個數量級。通過摻雜的手段,可進一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導,常溫常壓下摻碳氣凝膠的熱導率可低達0.013w/m•K,是目前熱導率最低的固態材料,可望替代聚氨脂泡沫成為新型隔熱材料,而摻入二氧化鈦可使硅氣凝膠成為新型高溫隔熱材料,800K時的熱導率僅為0.03w/m•K。

    由于硅氣凝膠的低聲速特性,它還是一種理想的聲學延遲或高溫隔音材料。該材料的聲阻抗可變范圍較大(103—107 kg/m2•s),是一種較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料,如常用聲阻匝Zp=1.5×l07 kg/m2•s的壓電陶瓷作為超聲波的發生器和探測器,而空氣的聲阻只有400 kg/m2•s。用厚度為l/4波長的硅氣凝膠作為壓電陶瓷與空氣的聲阻耦合材料.可提高聲波的傳輸效率,降低器件應用中的信噪比。初步實驗結果表明,密度在300 kg/m3左右的硅氣凝膠作為耦合材料,能使聲強提高30 dB,如果采用具有密度梯度的硅氣凝膠,可望得到更高的聲強增益。

    在環境保護及化學工業方面。納米結構的氣凝膠還可作為新型氣體過濾 ,與其它材料不同的是該材料孔洞大小分布均勻,氣孔率高,是一種高效氣體過濾材料。由于該材料特別大的比表而積.氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方而亦有廣闊的應用前景。

     

    其他用途

    1、制作火星探險宇航服

    2002年,美國宇航局成立了一家公司,專門生產更結實更有韌性的氣凝膠。美國宇航局2013年已經確定,在2018年火星探險時,宇航員們將穿上用新型氣凝膠制造的宇航服。該公司的資深科學家馬克•克拉杰沃斯基說,只要在宇航服中加入一個18毫米厚的氣凝膠層,那么它就能幫助宇航員扛住1300℃的高溫和零下130℃的超低溫。“這是我見過的最有效的恒溫材料。”馬克如是說。

    2、防彈不怕被炸

    防彈是新型氣凝膠的第二個重要用途。美國宇航局的這家公司正在對用氣凝膠建造的住所和軍車進行測試。根據試驗室的試驗情況來看,如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠,那么,就算炸藥直接炸中,對金屬片也分毫無傷。

    3、可處理生態災難

    環保是新型氣凝膠的第三個重要作用??茖W家們將氣凝膠親切地稱為“超級海綿”,因為其表面有成百上千萬的小孔,所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。美國科學家新發明的氣凝膠居然能吸出水中的鉛和水銀。據這位科學家稱,這種氣凝膠是處理生態災難的絕好材料,比如說1996年“海上快車”油輪沉沒后,72000噸原油外泄,如果當時用上這種材料的話,那么就不會導致整個海岸受到嚴重的污染。

    4、網球拍擊球能力更強

    新型氣凝膠也將步入我們每個人的未來日常生活。比如說美國的Dunlop體育器材公司已經成功研發了含有氣凝膠的網球拍。這種網球拍據說擊球的能力更強;2012年年初,66歲的鮑博•斯托克成為第一個將氣凝膠用于住房的英國人:“保溫加熱的效果非常好,我將空調的溫度下降了5℃,結果室內的溫度仍然非常舒適。”登山者也對氣凝膠的運用充滿了希望。英國登山家安尼•帕爾門特2011年登珠峰時所穿的鞋子就是使用了部分氣凝膠材料,他的睡袋里也有一層這種新材料。

     

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