二氧化硅氣凝膠的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用探微獲獎科研報告

二氧化硅氣凝膠的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用探微獲獎科研報告關(guān)鍵詞：二氧化碳?xì)饽z，結(jié)構(gòu)特性，研究現(xiàn)狀，應(yīng)用探微

引言

目前隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國工業(yè)化生產(chǎn)的規(guī)模和資源開發(fā)的力度也在隨之增強，而這就給我國帶來能源緊缺和資源利用率下降等問題，這就嚴(yán)重的影響我國當(dāng)前社會可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的進程。因此在現(xiàn)階段的工業(yè)生產(chǎn)中節(jié)能減排降耗是生產(chǎn)中的重要目標(biāo)之一，也是為保持社會可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

一、二氧化硅氣凝膠的定義及結(jié)構(gòu)特性

（1）氣凝膠的基本定義

氣凝膠主要是指工業(yè)生產(chǎn)中一種多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固體凝膠材料，該材料與傳統(tǒng)的材料不同，材料在使用過程中由于內(nèi)部充滿著空氣，所以其密度較低，并具有較好的隔熱和隔聲功能。1931年，Kistler以水玻璃制得了二氧化硅濕凝膠，后經(jīng)溶劑替換和乙醇超臨界干燥的方法，從而獲得了二氧化硅氣凝膠[1]。這種呈半透明藍(lán)色狀態(tài)的氣凝膠，由于質(zhì)量超輕所以也被相關(guān)科研人員稱之為“固態(tài)的煙”。

（2）二氧化硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)特點及性質(zhì)

氣凝膠是一種具有超高孔隙率的三維納米多孔材料。該物質(zhì)的分子模式主要是由一群直徑在3～8nm左右的初級粒子通過互相團簇構(gòu)成基本骨架。而由初級粒子所構(gòu)成的基本骨架具有極少的熱量傳導(dǎo)路徑，同時由于二氧化硅凝膠的分子結(jié)構(gòu)是由三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成因此在相對程度上便延長了熱量的傳播路徑，從而使分子的熱阻值增大。在有關(guān)研究中我們發(fā)現(xiàn)，二氧化硅氣凝膠的表面密度大約在0.03～0.35g/cm?，二氧化硅氣凝膠的比表面積在600～1000m?/g，二氧化硅氣凝膠的平均孔徑在20nm左右，二氧化硅氣凝膠的平均孔隙率在98%，二氧化硅氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)在0.013-0.021W/m.k，由于二氧化硅氣凝膠其獨特的物理參數(shù)和三維結(jié)構(gòu)，從而賦予了氣凝膠具有許多固態(tài)物質(zhì)所不具有的物理性能，例如低折射率、低熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)、低聲阻抗等[2-3]。

二、現(xiàn)階段SiO2的研究現(xiàn)狀

目前我國工業(yè)生產(chǎn)中，制備二氧化硅氣凝膠的硅源主要是水玻璃和硅醇鹽?，F(xiàn)階段生產(chǎn)二氧化硅氣凝膠的主要方式是酸堿兩步法，即在酸性條件下將硅源進行水解，水解到達(dá)一定程度后再利用堿液調(diào)節(jié)pH值至溶液為堿性。經(jīng)過一段時間后形成凝膠，最終經(jīng)過老化后通過超臨界干燥后形成氣凝膠。其中原理為硅源水解后在中溶液中形成均勻分散的納米級球形二氧化硅顆粒硅膠溶液，這些硅膠水溶液中的二氧化硅會呈現(xiàn)硅氧四面體無序的排列，同時這些懸浮的二氧化硅內(nèi)部粒子結(jié)構(gòu)都是由硅氧硅鍵組合而成，當(dāng)二氧化硅電解質(zhì)溶液受到溫度和濃度或溶液的pH值影響時溶液中的這些硅溶膠可以進行自由的聚合，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而超臨界干燥可以很好的保持這種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

其中在制備二氧化硅氣凝膠的過程中，通過水玻璃進行制備就可以獲得較為廉價的基礎(chǔ)物質(zhì)材料，但是在實際的應(yīng)用過程中如果使用大量的廉價水玻璃進行制備二氧化硅氣凝膠，就會導(dǎo)致二氧化硅氣凝膠在制備后存在著氯化鈉等雜質(zhì)，在一定的程度上影響二氧化硅的自身純度，這就需要工作人員在制備二氧化硅氣凝膠的過程中，通過相應(yīng)的溶劑來置換和洗滌生成物質(zhì)，同時還需要適當(dāng)?shù)脑黾酉鄳?yīng)的反應(yīng)時間，這樣才可以制備出高濃度的二氧化硅氣凝膠。

因此現(xiàn)階段在制備二氧化硅氣凝膠的過程中，最好通過硅醇鹽進行制備。硅醇鹽是一種含有大量硅源的物質(zhì)，這種物質(zhì)具有良好的隔熱性能和與二氧化硅氣凝膠大致相仿的外貌，在實驗室制備過程中為了制備優(yōu)異性能的二氧化硅氣凝膠通常使用TMOS作為硅源，甲醇作為溶劑不需要經(jīng)過水洗也可以提高產(chǎn)品的純度和濃度。而在工業(yè)中生產(chǎn)綜合考慮成本與安全，通常采用正硅酸乙酯作為硅源，乙醇作為溶劑。同時降低二氧化硅氣凝膠制備過程中的制作成本和制作程序。除此之外，制備人員還可以通過PEDS的方式制定二氧化硅氣凝膠，通過這種方式制備二氧化硅氣凝膠雖然具備程序較多，但是可以獲得較低密度、較大面積的二氧化硅顆粒網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

三、二氧化硅氣凝膠在市場中的應(yīng)用前景

（1）二氧化硅氣凝膠具有保溫隔熱功能

由于二氧化硅氣凝膠具備低于0.02W/（m.k）的超低導(dǎo)熱率，因此該物質(zhì)具有較強的保溫隔熱功能，甚至這種物質(zhì)在應(yīng)用過程中自身的導(dǎo)熱率低于外界的空氣。所以目前二氧化硅氣凝膠是我國工業(yè)應(yīng)用中最好的隔熱型材料，這種材料已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于國防、科研等各個方面，甚至在我國的航海和航空航天領(lǐng)域都使用二氧化硅氣凝膠來作為管道的隔熱、冰箱的隔熱、宇航服的保暖、飛機玻璃的填充物等[4]。

（2）二氧化硅氣凝膠可用作聲音延遲劑

由于二氧化硅氣凝膠的自身結(jié)構(gòu)是呈現(xiàn)多孔的納米結(jié)構(gòu)，而這些多孔的納米結(jié)構(gòu)可以在一定的程度上延遲聲音的傳播速率，同時聲音在經(jīng)過這些多孔結(jié)構(gòu)時還會出現(xiàn)較大能量的音量損失，這樣便可以在一定的程度上降低聲音的振幅和聲速。在有關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，二氧化硅氣凝膠對聲音的阻抗傳播范圍在（103～107kg/（m?.s）），同時這種二氧化硅氣凝膠還具有較強的耐腐蝕、抗氧化和保溫的功能。

（3）二氧化硅氣凝膠可應(yīng)用于集成電路

二氧化硅氣凝膠由于其具備較低的介電常數(shù)，所以可以在集成電路中充當(dāng)襯底材料。二氧化硅氣凝膠在集成電路中的應(yīng)用過程中，由于具備接近硅材料的膨脹系數(shù)，所以熱穩(wěn)定性極佳，在集成電路的應(yīng)用過程中并可以達(dá)到降低耗能、防干擾、電路互