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气凝胶简介

  • 时间: 2015-08-31 10:10:22
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二氧化硅气凝胶又被称作“蓝烟”、“固体烟”,是目前已知的密度最小、质量最轻的固体材料,也是迄今为止保温性能最好的材料。因其具有纳米多孔结构(1~100nm)、低密度(3~250kg/m3)、低介电常数(1.1~2.5)、低导热系数(0.013~0.025W/(m·k))、高孔隙率(80~99.8%)、高比表面积(500~1000m2/g)等特点,在力学、声学、热学、光学等诸方面显示出独特性质,气凝胶貌似“弱不禁风”,其实非常坚固耐用。它可以承受相当于自身质量几千倍的压力,在温度达到1200摄氏度时才会熔化。此外它的导热性和折射率也很低,绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。在航天、军事、石油、化工、矿产、通讯、医用、建材、电子、冶金等众多领域有着广泛而巨大的应用价值,被称为“改变世界的神奇材料”。

气凝胶基本特性

1、热学特性

气凝胶的纳米多孔结构使它具有极佳的绝热性能,其热导率甚至比空气还要低,空气在常温真空状态下的热导率为0.026W/(m·k),而气凝胶在常温常压下的热导率一般小于0.020W/(m·k),在抽真空的状态下,热导率可低至0.004W/(m·k)

气凝胶之所以具有如此良好的绝热特性与它的高孔隙率有关。热量的传导主要通过三种途径来进行,气体传导,固体传导,辐射传导。在这三种方式中,通过气体传导的热量是很小的,因此大部分气体都具有非常低的热导率。常用的绝热材料都是多孔结构,其正是利用了空气占据了固体材料的一部分体积,从而降低了材料整体的热导率。气凝胶的孔隙率比普通绝热材料要大得多,其95%以上都是由空气构成,决定了其将具有与空气一样低的热导率。而且气凝胶中包含大量孔径小于70nm的孔,70nm是空气中主要成分氮气和氧气的自由程(气体分子两次碰撞之间的时间内经过的路程的统计平均值),因此意味着空气在气凝胶中将无法实现对流,使得气态热导率进一步降低。气凝胶中含量极少的固体骨架也是由纳米颗粒组成,其接触面积非常小,使得气凝胶同样具有极小的固态热导率。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。

SiO2气凝胶作为一种纳米孔超级绝热材料,除具有极低的热导率之外还具有超轻质以及高热稳定性的特性,它在工业、民用、建筑、航天及军事等领域具有非常广泛的应用。

2、声学特性

吸声材料要求材料内部充满孔隙,并且孔隙是互相连通且与表面相通的。当声波入射到材料表面时,一部分在材料表面被反射,另一部分则透入到材料内部向前传播。声波在传播过程中,其产生的振动引起小孔或间隙内的空气运动,造成和孔壁的摩擦,紧靠孔壁和纤维表面的空气受孔壁的影响不易流动,由于摩擦和粘滞力的作用,使相当一部分声能转化为热能。

气凝胶内部充满了两端开放并与表面相通的纳米孔,其高达1000m2/g的比表面积说明了其中包含孔的数量之多,因此声音在其中传播时,声能将被其大量存在的孔壁大大消耗,这使得气凝胶具有比普通多孔材料高数十倍的吸声效果。另外气凝胶热稳定性非常好,耐腐蚀,且经过表面处理的气凝胶疏水,这使其在极端高温及恶劣腐蚀环境下仍具有良好的吸声性能。目前使用的普通吸声材料如玻璃棉、矿物棉、岩棉等,吸声效率不高,且性能不稳定。气凝胶作为一种新型吸声材料,不但吸声效果更好,且超轻质,无污染,它的用途将非常广泛,尤其在航空航天方面由于其轻质的特点,将成为吸声材料的首选。此外,还可将气凝胶材料用做建筑的吸声材料,有优良的隔音效果。

由于气凝胶的密度可以通过改变制备条件对其进行控制,因此使得声阻亦可调。这一特性使得气凝胶可作为声阻耦合材料,如作为压电陶瓷与空气的声阻耦合材料。压电陶瓷具有极高的声阻,空气则具有极低的声阻,阻抗在二者之间某个值的材料能够匹配声学阻抗。用SiO2气凝胶耦合高声阻的压电陶瓷和低声阻的空气,Krauss等报道这一耦合结果使声强提高43.5dB

水声反声材料是指声波由水中入射到材料层上能无损耗地全部反射出去的材料。在潜艇上构成声纳设备声学系统的材料中,水声反声材料是非常重要的,它可以使声纳单方向工作,消除非探测方向来的假目标信号的干扰,同时隔离装备体自身噪声,提高声纳的信噪比和增益。特性阻抗与水的特性阻抗严重失配的材料可用作水声反声材料。常压下空气的密度和声速都远远小于水的密度和声速,空气的特性阻抗将比水小得多,与水阻抗失配严重,因此含有大量空气的材料可作为常压水中的反声材料。气凝胶高孔隙率且超轻质的特点使其成为最佳的水声反声材料,既具有良好的水声反声效果,又不增加潜艇的重量。

3、催化特性

超微粒子特定的表面结构有利于活性组分的分散,从而可以对许多催化过程产生显著的影响。气凝胶是一种由纳米粒子组成的固体材料,具有小粒径、高比表面积和低密度等特点,这些特点使气凝胶催化剂的活性和选择性均远远高于常规催化剂,而且活性组分可以非常均匀地分散于载体中,同时它还具有优良的热稳定性,可以有效的减少副反应发生。因此气凝胶作为催化剂,其活性、选择性和寿命都可以得到大幅度地提高,具有非常良好的催化特性。

1938年,Kearby 等发现在醇向胺的转化过程中,Cr2O3Al2O3复合氧化物气凝胶是一种性能良好的催化剂。1974年,Gardes 等制备了NiO/Al2O3 气凝胶催化剂并把它应用于乙苯脱乙基制苯,具有非常良好的效果。初期气凝胶催化剂主要用于一些有工业应用背景的有机反应,如乙酸转化为丙酮、丙酸转化为二乙基丙酮等反应,近年来已经发现了气凝胶更多的催化特性。

4、吸附特性

由于气凝胶由纳米颗粒骨架构成,具有高通透性的三维纳米网络结构,拥有很高的比表面积(6001200 m2/g 和孔隙率(高达90 %以上),且孔洞又与外界相通,因此它具有非常良好的吸附特性,在气体过滤器、吸附介质方面有着很大的应用价值。

对比疏水SiO2气凝胶、活性炭纤维以及活性炭颗粒对吸附介质为苯、甲苯、四氯化碳、乙醛的吸附性能测试结果,比较发现,SiO2气凝胶的吸附性能较活性炭纤维(ACF) 和活性炭颗粒(GAC) 更为优越。而且通过改性制备出的疏水SiO2气凝胶,可以避免亲水型活性炭在潮湿环境下吸附性能大幅降低。同时若将SiO2气凝胶进行第一次吸附脱附后,再次进行吸附研究,SiO2气凝胶可方便地经由热气流脱附,再吸附容量基本不变,这就为循环利用创造了有利的条件。

5、光学特性

纯净的SiO2气凝胶是透明无色的,它的折射率(1.0061.06)非常接近于空气的折射率,这意味着SiO2气凝胶对入射光几乎没有反射损失,能有效地透过太阳光。因此,SiO2气凝胶能够被用来制作绝热降噪玻璃。利用不同密度的SiO2气凝胶膜对不同波长的光制备光耦合材料,可以得到高级的光增透膜。

当通过控制制备条件获得不同密度的SiO2气凝胶时,它的折射率可在1.008-1.4范围内变化,因此SiO2气凝胶可作为切仑科夫探测器中的介质材料,用来探测高能粒子的质量和能量。

6、电学特性

气凝胶具有低介电常数(1<e<2),而且可通过改变其密度调节介电常数值。随着微电子工业的迅速发展,对集成电路运算速度的要求越来越高。一般而言,所用衬底材料的介电常数越低,则运算速度越快。现在集成电路所用的衬底材料为Al2O3,其介电常数为10,目前的趋势是使用聚酰亚胺或其它高聚物介电材料替代Al2O3,然而,高聚物的热膨胀系数较高,容易引起应力以及变形。气凝胶具有一些更优越的特性,其介电常数值很低且可以调节,其热膨胀系数与硅材料相近因此应力很小,而且相对聚酰亚胺它有良好的高温稳定性。因此如将集成电路所用的衬底材料改成气凝胶薄膜,其运算速度可提高3倍。

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