公海堵船710

气凝胶(Aerogel)是一种三维网络结构的纳米先进材料。当凝胶脱去大部分溶剂,使凝胶中液体含量比固体含量少得多,或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体,外表呈固体状,这即为气凝胶。

气凝胶具有低密度、低导热性、高孔隙率、耐高温、不燃等优越性能,在航空航天、建筑、石油化工、军工、热能工程、交通运输和家用电器等领域有非常广阔的应用前景。

概况

气凝胶是一种固体物质形态,世界上密度最小的固体之一。密度为3千克每立方米。一般常见的气凝胶为硅气凝胶,最早由美国科学工编辑Kistler在1931年因与其友打赌制得。

气凝胶的种类很多,有硅系,碳系,硫系,金属氧化物系,金属系等等。

aerogel是个组合词,此处aero是形容词,表示飞行的,gel显然是凝胶。字面意思是可以飞行的凝胶。任何物质的gel只要可以经干燥后除去内部溶剂后,又可基本保持其形状不变,且产物高孔隙率、低密度,则皆可以称之为气凝胶。

因为密度极低,目前最轻的气凝胶仅有0.16毫克每立方厘米,比空气密度略低,所以也被叫做“冻结的烟”或“蓝烟”。由于里面的颗粒非常小(纳米量级),所以可见光经过它时散射较小(瑞利散射),就像阳光经过空气一样。因此,它也和天空一样看着发蓝,如果对着光看则有点发红。

由于气凝胶中一般80%以上是空气,所以有非常好的隔热效果,一寸厚的气凝胶相当20至30块普通玻璃的隔热功能。即使把气凝胶放在玫瑰与火焰之间,玫瑰也会丝毫无损。

 

制备方法

气凝胶最初是由S.Kistler命名,由于他采用超临界干燥方法成功制备了二氧化硅气凝胶,故将气凝胶定义为:湿凝胶经超临界干燥所得到的材料,称之为气凝胶。在上世纪90年代中后期,随着常压干燥技术的出现和发展,科学界普遍接受的气凝胶的定义是:不论采用何种干燥方法,只要是将湿凝胶中的液体被气体所取代,同时凝胶的网络结构基本保留不变,这样所得的材料都称为气凝胶。

气凝胶的制备通常由溶胶凝胶过程和超临界干燥处理构成。在溶胶凝胶过程中,通过控制溶液的水解和缩聚反应条件,在溶体内形成不同结构的纳米团簇,团簇之间的相互粘连形成凝胶体,而在凝胶体的固态骨架周围则充满化学反应后剩余的液态试剂。为了防止凝胶干燥过程中微孔洞内的表面张力导致材料结构的破坏,采用超临界干燥工艺处理,把凝胶置于压力容器中加温升压,使凝胶内的液体发生相变成超临界态的流体,气液界面消失,表面张力不复存在,此时将这种超临界流体从压力容器中释放,即可得到多孔、无序、具有纳米量级连续网络结构的低密度气凝胶材料。

 

 

研究单位

国际上关于气凝胶材料的研究工作主要集中在德国的维尔茨堡大学、BASF企业、美国的劳伦兹•利物莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室,法国的蒙彼利埃材料研究中心,日本高能物理国家实验室等。国内主要集中在同济大学波尔固体物理实验室、国防科技大学、清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、公海堵船710。

重点应用

硅气凝胶纤细的纳米网络结构有效地限制了局域热激发的传播,其固态热导率比相应的玻璃态材料低2—3个数量级。通过掺杂的手段,可进一步降低硅气凝胶的辐射热传导,常温常压下掺碳气凝胶的热导率可低达0.013w/m•K,是目前热导率最低的固态材料,可望替代聚氨脂泡沫成为新型隔热材料,而掺入二氧化钛可使硅气凝胶成为新型高温隔热材料,800K时的热导率仅为0.03w/m•K。

由于硅气凝胶的低声速特性,它还是一种理想的声学延迟或高温隔音材料。该材料的声阻抗可变范围较大(103—107 kg/m2•s),是一种较理想的超声探测器的声阻耦合材料,如常用声阻匝Zp=1.5×l07 kg/m2•s的压电陶瓷作为超声波的发生器和探测器,而空气的声阻只有400 kg/m2•s。用厚度为l/4波长的硅气凝胶作为压电陶瓷与空气的声阻耦合材料.可提高声波的传输效率,降低器件应用中的信噪比。初步实验结果表明,密度在300 kg/m3左右的硅气凝胶作为耦合材料,能使声强提高30 dB,如果采用具有密度梯度的硅气凝胶,可望得到更高的声强增益。

在环境保护及化学工业方面。纳米结构的气凝胶还可作为新型气体过滤 ,与其它材料不同的是该材料孔洞大小分布均匀,气孔率高,是一种高效气体过滤材料。由于该材料特别大的比表而积.气凝胶在作为新型催化剂或催化剂的载体方而亦有广阔的应用前景。

其他用途

1、制作火星探险宇航服

2002年,美国宇航局成立了一家企业,专门生产更结实更有韧性的气凝胶。美国宇航局2013年已经确定,在2018年火星探险时,宇航员们将穿上用新型气凝胶制造的宇航服。该企业的资深科学家马克•克拉杰沃斯基说,只要在宇航服中加入一个18毫米厚的气凝胶层,那么它就能帮助宇航员扛住1300℃的高温和零下130℃的超低温。“这是我见过的最有效的恒温材料。”马克如是说。

2、防弹不怕被炸

防弹是新型气凝胶的第二个重要用途。美国宇航局的这家企业正在对用气凝胶建造的住所和军车进行测试。根据试验室的试验情况来看,如果在金属片上加一层厚约6毫米的气凝胶,那么,就算炸药直接炸中,对金属片也分毫无伤。

3、可处理生态灾难

环保是新型气凝胶的第三个重要作用。科学家们将气凝胶亲切地称为“超级海绵”,因为其表面有成百上千万的小孔,所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。美国科学家新发明的气凝胶居然能吸出水中的铅和水银。据这位科学家称,这种气凝胶是处理生态灾难的绝好材料,比如说1996年“海上快车”油轮沉没后,72000吨原油外泄,如果当时用上这种材料的话,那么就不会导致整个海岸受到严重的污染。

4、网球拍击球能力更强

新型气凝胶也将步入大家每个人的未来日常生活。比如说美国的Dunlop体育器材企业已经成功研发了含有气凝胶的网球拍。这种网球拍据说击球的能力更强;2012年年初,66岁的鲍博•斯托克成为第一个将气凝胶用于住房的英国人:“保温加热的效果非常好,我将空调的温度下降了5℃,结果室内的温度仍然非常舒适。”登山者也对气凝胶的运用充满了希翼。英国登山家安尼•帕尔门特2011年登珠峰时所穿的鞋子就是使用了部分气凝胶材料,他的睡袋里也有一层这种新材料。

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