氣凝膠,又稱為干凝膠。當(dāng)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中充滿的介質(zhì)是氣體,外表呈固體狀,這即為干凝膠,也稱為氣凝膠。如明膠、阿拉伯膠、硅膠、毛發(fā)、指甲等。氣凝膠也具凝膠的性質(zhì),即具膨脹作用、觸變作用、離漿作用。

中文名:氣凝膠

外文名:aerogel

英文名:aerogel

別 稱:干凝膠

形 態(tài):固體物質(zhì)形態(tài)

研制時間:1931年

研制者:Kistler

 

文章更新:氣凝膠到底是什么材料?

氣凝膠定義

氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài),世界上密度最小的固體。密度為3千克每立方米。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠,其最早由美國科學(xué)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(zhì)的gel只要可以經(jīng)干燥后除去內(nèi)部溶劑后,又可基本保持其形狀不變,且產(chǎn)物高孔隙率、低密度,則皆可以稱之為氣凝膠。

因為密度極低,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(jié)的煙”或“藍煙”。由于里面的顆粒非常?。{米量級),所以可見光經(jīng)過它時散射較?。ㄈ鹄⑸洌?,就像陽光經(jīng)過空氣一樣。因此,它也和天空一樣看著發(fā)藍(如果里面沒有摻雜其它東西),如果對著光看有點發(fā)紅。(天空是藍色的,而傍晚的天空是紅色的)。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(dāng)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。氣凝膠在航天探測上也有多種用途,在俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”的探測器上都有用到這種材料。氣凝膠也在粒子物理實驗中,使用來作為切連科夫效應(yīng)的探測器。位在高能加速器研究機構(gòu)B介子工廠的Belle 實驗探測器中一個稱為氣凝膠切連科夫計數(shù)器(Aerogel Cherenkov Counter, ACC) 的粒子鑒別器,就是一個最新的應(yīng)用實例。這個探測器利用的氣凝膠的介于液體與氣體之低折射系數(shù)特性,還有其高透光度與固態(tài)的性質(zhì),優(yōu)于傳統(tǒng)使用低溫液體或是高壓空氣的作法。同時,其輕量的性質(zhì)也是優(yōu)點之一。

 

氣凝膠特性

氣凝膠,作為世界最輕的固體,已入選吉尼斯世界紀(jì)錄。這種新材料密度僅為3.55千克每立方米,僅為空氣密度的2.75倍;干燥的松木密度(500千克每立方米)是它的140倍。這種物質(zhì)看上去像凝固的煙,但它的成分與玻璃相似。由于它的密度極小,用于航空航天方面非常合適。

氣凝膠是什么?

美宇航局噴氣推進實驗室,該實驗室瓊斯博士研制出的新型氣凝膠,主要由純二氧化硅等組成。在制作過程中,液態(tài)硅化合物首先與能快速蒸發(fā)的液體溶劑混合,形成凝膠,然后將凝膠放在一種類似加壓蒸煮器的儀器中干燥,并經(jīng)過加熱和降壓,形成多孔海綿狀結(jié)構(gòu)。瓊斯博士最終獲得的氣凝膠中空氣比例占到了99.8%。

氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量,有時也被稱為“固態(tài)煙”或“凍住的煙”。這種新材料看似脆弱不堪,其實非常堅固耐用,最高能承受1400攝氏度的高溫。氣凝膠的這些特性在航天探測上有多種用途。俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器上,都用到了氣凝膠材料。

美國國家宇航局研制出的一種新型氣凝膠,由于密度只有每立方厘米3毫克,日前已經(jīng)作為“世界上密度最低的固體”正式入選《吉尼斯世界紀(jì)錄》。

這種氣凝膠呈半透明淡藍色,重量極輕,因此人們也把它稱為“固態(tài)煙”。新型氣凝膠是由美國國家宇航局下屬的“噴氣推進實驗室”材料科學(xué)家史蒂芬·瓊斯博士研制的。它的主要成分和玻璃一樣也是二氧化硅,但因為它99.8%都是空氣,所以密度只有玻璃的千分之一。

氣凝膠貌似“弱不禁風(fēng)”,其實非常堅固耐用。它可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力,在溫度達到1200攝氏度時才會熔化。此外它的導(dǎo)熱性和折射率也很低,絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。由于具備這些特性,氣凝膠便成為航天探測中不可替代的材料,俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器都用它來進行熱絕緣。

氣凝膠在航天中的應(yīng)用遠不止這些,美國國家宇航局的“星塵”號飛船正帶著它在太空中執(zhí)行一項十分重要的使命———收集彗星微粒??茖W(xué)家認(rèn)為,彗星微粒中包含著太陽系中最原始、最古老的物質(zhì),研究它可以幫助人類更清楚地了解太陽和行星的歷史。2006年,“星塵”號飛船將帶著人類獲得的第一批彗星星塵樣品返回地球。

但收集彗星星塵并不是件容易的事,它的速度相當(dāng)于步槍子彈的6倍,盡管體積比沙粒還要小,可是當(dāng)它以如此高速接觸其它物質(zhì)時,自身的物理和化學(xué)組成都有可能發(fā)生改變,甚至完全被蒸發(fā)。如今科學(xué)家有了氣凝膠,這個問題就變得很簡單了。它就像一個極其柔軟的棒球手套,可以輕輕地消減彗星星塵的速度,使它在滑行一段相當(dāng)于自身長度200倍的距離后慢慢停下來。在進入“氣凝膠手套”后,星塵會留下一段胡蘿卜狀的軌跡,由于氣凝膠幾乎是透明的,科學(xué)家可以按照軌跡輕松地找到這些微粒。

 

氣凝膠制備方法

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(jīng)超臨界干燥所得到的材料,稱之為氣凝膠。在90年代中后期,隨著常壓干燥技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,90年代中后期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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本保留不變,這樣所得的材料都稱為氣凝膠。氣凝膠的結(jié)構(gòu)特征是擁有高通透性的圓筒形多分枝納米多孔三位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),擁有極高孔洞率、極低的密度、高比表面積、超高孔體積率,其體密度在0.003-0.500 g/cm-3范圍內(nèi)可調(diào)。(空氣的密度為0.00129 g/cm-3)。

氣凝膠的制備通常由溶膠凝膠過程和超臨界干燥處理構(gòu)成。在溶膠凝膠過程中,通過控制溶液的水解和縮聚反應(yīng)條件,在溶體內(nèi)形成不同結(jié)構(gòu)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(tài)骨架周圍則充滿化學(xué)反應(yīng)后剩余的液態(tài)試劑。為了防止凝膠干燥過程中微孔洞內(nèi)的表面張力導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)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(nèi)的液體發(fā)生相變成超臨界態(tài)的流體,氣液界面消失,表面張力不復(fù)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(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低密度氣凝膠材料。

 

 

氣凝膠應(yīng)用領(lǐng)域

在分形結(jié)構(gòu)研究方面。硅氣凝膠作為一種結(jié)構(gòu)可控的納米多孔材料,其表現(xiàn)密度明顯依賴于標(biāo)度尺寸,在一定尺度范圍內(nèi),其密度往往具有標(biāo)度不變性,即密度隨尺度的增加而下降,而且具有自相似結(jié)構(gòu),在氣凝膠分形結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究方面的結(jié)構(gòu)還表明,在不同尺度范圍內(nèi),有三個色散關(guān)系明顯不同的激發(fā)區(qū)域,分別對應(yīng)于聲子、分形子和粒子模的激發(fā)。改變氣凝膠的制備條件,可使其關(guān)聯(lián)長度在兩個量級的范圍內(nèi)變化。因此硅氣凝膠已成為研究分形結(jié)構(gòu)及其動力學(xué)行為的最佳材料。

1、在“863”高技術(shù)強激光研究方面

納米多孔材料具有重要應(yīng)用價值,如利用低于臨界密度的多孔靶材料,可望提高電子碰撞激發(fā)產(chǎn)生的X光激光的光束質(zhì)量,節(jié)約驅(qū)動能,利用微球形節(jié)點結(jié)構(gòu)的新型多孔靶,能夠?qū)崿F(xiàn)等離于體三維絕熱膨脹的快速冷卻,提高電子復(fù)合機制 產(chǎn)生的x光激光的增益系數(shù),利用超低密度材料吸附核燃料,可構(gòu)成激光慣性約束聚變的高增益冷凍靶。氣凝膠纖細(xì)的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、結(jié)構(gòu)介觀尺度上可控,成為研制新型低密度靶的最佳候選材料。

2、在作為隔熱材料方面

硅氣凝膠纖細(xì)的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效地限制了局域熱激發(fā)的傳播,其固態(tài)熱導(dǎo)率比相應(yīng)的玻璃態(tài)材料低2—3個數(shù)量級。納米微孔洞抑制了氣體分子對熱傳導(dǎo)的貢獻。硅氣凝膠的折射率接近l,而且對紅外和可見光的湮滅系數(shù)之比達100以上,能有效地透過太陽光,并阻止環(huán)境溫度的紅外熱輻射,成為一種理想的透明隔熱材料,在太陽能利用和建筑物節(jié)能方面已經(jīng)得到應(yīng)用。通過摻雜的手段,可進一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導(dǎo),常溫常壓下?lián)?span id="srcw0mu" class="wpcom_keyword_link">碳?xì)饽z的熱導(dǎo)率可低達0.013w/m·K,是熱導(dǎo)率最低的固態(tài)材料,可望替代聚氨脂泡沫成為新型冰箱隔熱材料。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(dǎo)率僅為0.03w/m·K,作為軍品配套新材料將得到進一步發(fā)展。

由于硅氣凝膠的低聲速特性,它還是一種理想的聲學(xué)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(fā)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(yīng)用中的信噪比。初步實驗結(jié)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(huán)境保護及化學(xué)工業(yè)方面。納米結(jié)構(gòu)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(yīng)用前景。

3、在儲能器件方面

有機氣凝膠經(jīng)過燒結(jié)工藝處理后將得到碳?xì)饽z 這種導(dǎo)電的多孔材料是繼纖維狀活性碳以后發(fā)展起來的一種新型碳素材料,它具有很大的比表面積(600—1000 m2/g)和高電導(dǎo)率(10—25 s/cm).而且,密度變化范圍廣(0.05—1.0 g/cm3).如在其微孔洞內(nèi)充入適當(dāng)?shù)碾娊庖?,可以制成新型可充電電池,它具有儲電容量大、?nèi)阻小、重量輕、充放電能力強、可多次重復(fù)使用等優(yōu)異特性,初步實驗結(jié)果表明:碳?xì)饽z的充電容量達3×104/kg2,功率密度為7 kw/kg,反復(fù)充放電性能良好。

在材料的量子尺寸效應(yīng)研究方面。由于硅氣凝膠的納米網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成量子點結(jié)構(gòu),化學(xué)氣相滲透法摻Si及溶液法摻C60的結(jié)果表明,摻雜劑是以納米晶粒的形式存在,并觀察到很強的可見光發(fā)射,為多孔硅的量子限制效應(yīng)發(fā)光提供了有力證據(jù)。利用硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)以及C60的非線性光學(xué)效應(yīng),可進一步研制新型激光防護鏡。通過摻雜的方法還是形成納米復(fù)合相材料的有效手段。

此外,硅氣凝膠是折射率可調(diào)的材料,使用不同密度的氣凝膠介質(zhì)作為切倫柯夫閥值探測器,可確定高能粒子的質(zhì)量和能量。因高速粒子很容易穿入多孔材料并逐步減速,實現(xiàn)“軟著陸”,如選用透明氣凝膠在空間捕獲高速粒子,可用肉眼或顯微鏡觀察被阻擋、捕獲的粒子。

作為一種新型納米多孔材料,除硅氣凝膠外,已研制的還有其它單元、二元或多元氧化物氣凝膠、有機氣凝膠及碳?xì)饽z。作為一種獨特的材料制備手段,相關(guān)的工藝在其它新材料研制中得到廣泛應(yīng)用,如制備氣孔率極高的多孔硅、制備高性能催化劑的金屬—氣凝膠混合材料、高溫超導(dǎo)材料、超細(xì)陶瓷粉末等。

研究單位

2013年國際上關(guān)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(xué)、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(nèi)主要集中在同濟大學(xué)波爾固體物理實驗室、國防科技大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、納諾科技有限公司及廣東埃力生高新科技有限公司。

氣凝膠其他用途

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(chǎn)更結(jié)實更有韌性的氣凝膠。美國宇航局2013年已經(jīng)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(xué)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?!斑@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(jù)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(tài)災(zāi)難

環(huán)保是新型氣凝膠的第三個重要作用。科學(xué)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(xué)家新發(fā)明的氣凝膠居然能吸出水中的鉛和水銀。據(jù)這位科學(xué)家稱,這種氣凝膠是處理生態(tài)災(zāi)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(dāng)時用上這種材料的話,那么就不會導(dǎo)致整個海岸受到嚴(yán)重的污染。

4、網(wǎng)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(jīng)成功研發(fā)了含有氣凝膠的網(wǎng)球拍。這種網(wǎng)球拍據(jù)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(diào)的溫度下降了5℃,結(jié)果室內(nèi)的溫度仍然非常舒適?!钡巧秸咭矊饽z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。

 

超輕氣凝膠

浙江大學(xué)高分子系高超教授的課題組制備出了一種超輕氣凝膠。它刷新了世界上最輕材料的紀(jì)錄,擁有高彈性和強吸油能力。這種被稱為“全碳?xì)饽z”的固態(tài)材料密度為每立方厘米0.16毫克(拋出空氣密度),僅是空氣密度的1/6。 專家介紹,氣凝膠是入選吉尼斯世界紀(jì)錄的最輕的一類物質(zhì),因其內(nèi)部有很多孔隙,充斥著空氣,故而得名。 1931年,美國科學(xué)家用二氧化硅制得了最早的氣凝膠,外號 “凝固的煙”。

2011年,美國HRL實驗室、加州大學(xué)歐文分校和加州理工學(xué)院合作制備了一種鎳構(gòu)成的氣凝膠,密度為0.9毫克/立方厘米,創(chuàng)下了當(dāng)時最輕材料的紀(jì)錄。把這種材料放在蒲公英花朵上,柔軟的絨毛幾乎沒有變形。 我國的石墨儲備非常豐富,占全世界的2/3??茖W(xué)研究人員一直在探索石墨高效利用的方法。“把石墨變成石墨烯(一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)),其價值可以上升數(shù)千倍。”高超的課題組經(jīng)過五六年的探索,制備出了一維的石墨烯纖維和二維的石墨烯薄膜。打算把石墨烯做成三維多孔材料來打破這美國科學(xué)家的紀(jì)錄。

制作簡便,其形狀、尺寸可任意調(diào)節(jié)

在世界已誕生的成果中,高超課題組制備的“碳海綿”仍是最輕紀(jì)錄保持者??蛇_到0.16毫克/立方厘米,低于氦氣的密度。

大規(guī)模制造成可能

科學(xué)家聲稱,氣凝膠的基本制備原理是除去凝膠中的溶劑,讓其保留完整的骨架。在以往制備氣凝膠的案例中,科學(xué)家主要采用溶膠—凝膠法和模板導(dǎo)向法。前者可以批量合成,但是可控性差;后者能產(chǎn)生有序的結(jié)構(gòu),但依賴于模板的精細(xì)結(jié)構(gòu)和尺寸,難以大量制備。

高超課題組另辟蹊徑,探索出無模板冷凍干燥法:將溶解了石墨烯和碳納米管的水溶液在低溫下凍干,便獲得了“碳海綿”,并且可以任意調(diào)節(jié)形狀,令生產(chǎn)過程更加便捷,也使這種超輕材料的大規(guī)模制造和應(yīng)用成為可能。

性能優(yōu)越,高彈性、強吸附,應(yīng)用前景廣闊

據(jù)專家介紹,“碳海綿”具備高彈性,被壓縮80%后仍可恢復(fù)原狀。它對有機溶劑具有超快、超高的吸附力,是迄今已報道的吸油力最高的材料?,F(xiàn)有的吸油產(chǎn)品一般只能吸自身質(zhì)量10倍左右的液體,而“碳海綿”的吸收量是250倍左右,最高可達900倍,而且只吸油不吸水?!按笪竿酢背杂袡C物的速度極快:每克這樣的“碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機物。 20世紀(jì),實驗室正在對這一材料的吸附性能進行進一步的應(yīng)用性研究。科研人員聲稱,“碳海綿”還可能成為理想的相變儲能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效復(fù)合材料。不過很難準(zhǔn)確預(yù)計其應(yīng)用領(lǐng)域與前景,還得依靠社會以及產(chǎn)業(yè)界的想象力,讓這個新材料走出實驗室,實現(xiàn)應(yīng)用價值。

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