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气凝胶的热学性质及应用

气凝胶材料具有极低的导热系数,在常温下可达到0.013-0.016W/(m•K),低于静态空气(0.024W/(m•K))的热导系数,比传统的无机绝缘材料则要低2-3个数量级。

热量有三种基本传递方式:传导、对流和辐射。对于保温材料而言,热传导主要由保温材料中的固体部分来完成;热对流则主要由保温材料中的气体来完成;热辐射的传递不需要任何介质。

1992年,美国召开的国际材料工程大会上提出了超级绝热材料的概念,指在预定的使用条件下,其导热系数低于“无对流空气”导热系数的绝热材料。而气凝胶材料的纳米多孔结构,使其成为了典型的超级绝热材料。

由于近于无穷多纳米孔的存在,热流在气凝胶材料中传递时就只能沿着气孔壁传递,而近于无穷多的气孔壁就构成了近于“无穷长路径”效应,使得固体热传导的能力下降到接近最低极限。

当气凝胶材料中的气孔直径小于70nm时,气孔内的空气分子就失去了自由流动的能力,相对静止地附着在气孔壁上,这时材料处于近似真空状态,即产生“零对流”效应。

由于气凝胶材料内的气孔均为纳米级气孔再加上材料本身极低的体积密度,使材料内部气孔壁数目趋于“无穷多”,而每一个气孔壁都具有着遮热板的作用,因而产生近于“无穷多遮热板”的效应,从而使辐射传热下降到近乎最低极限。不过,气凝胶的热辐射传导主要为发生在3-5μm区域内的红外热辐射,其在常温下能够有效的阻挡红外热辐射,但随着温度的升高,红外热辐射透过性增强。为了进一步降低高温红外热辐射,通常向气凝胶中加入遮光剂,如碳黑、二氧化钛等,遮光剂的使用能够大大降低高温下的红外热辐射。

从上个世纪末开始,人们用粉末、块状或颗粒状气凝胶替代、聚氨酯泡沫作为绝热材料,比如:美国NASA Ames研究中心Susan White等开发的陶瓷纤维—硅气凝胶复合绝热瓦,即以原来航天飞机使用的用陶瓷纤维制成的半硬质隔热瓦为基础,将气凝胶先驱体注入装有陶瓷纤维板的模具,按照预定的复合尺寸浇入合适的深度。在充满气凝胶的部分,陶瓷纤维作为支撑骨架,而具有纳米孔结构的气凝胶充满骨架之间的微米级孔隙。

另外,美国的“火星探路者”的运载火箭以及俄罗斯的“和平”号空间站采用了二氧化硅气凝胶作为隔热保护材料。

现在,气凝胶正在广泛取代传统的保温材料,可以成为车辆船舶的“金钟罩”,工业管道的“铁布衫”,地标建筑的“御寒服”,也能在航天、军工、户外用品、日常消费品等领域大展身手。

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