氣凝膠完整版本

氣凝膠Aerogel

固體煙氣凝膠隔熱干凝膠當(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。氣凝膠也具凝膠的性質(zhì)，氣凝膠的組成通常是非晶的，例如，致密的石英是晶體，但是二氧化硅氣凝膠是非晶的，這有點(diǎn)像是泡沫玻璃。氣凝膠樣品進(jìn)行的表面形貌分析氣凝膠屬于一種固體，但99%是由氣體構(gòu)成，外觀看起來(lái)像云一樣。它有數(shù)百萬(wàn)小孔和皺摺，如果把1立方厘米的氣凝膠拆開(kāi)，它會(huì)填滿一個(gè)有足球場(chǎng)那么大的地方。它的小孔不僅能像一塊海綿一樣吸附污染物，還能充當(dāng)氣穴。氣凝膠內(nèi)含大量的空氣，典型的孔洞線度在l—l00納米范圍，孔洞率在80%以上，是一種具有納米結(jié)構(gòu)的多孔材料，在力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等諸方面均顯示其獨(dú)特性質(zhì)。它們明顯不同于孔洞結(jié)構(gòu)在微米和毫米量級(jí)的多孔材料，其纖細(xì)的納米結(jié)構(gòu)使得材料的熱導(dǎo)率極低，具有極大的比表面積．對(duì)光、聲的散射均比傳統(tǒng)的多孔性材料小得多，這些獨(dú)特的性質(zhì)不僅使得該材料在基礎(chǔ)研究中引起人們興趣，而且在許多領(lǐng)域蘊(yùn)藏著廣泛的應(yīng)用前景。氣凝膠由一位美國(guó)化學(xué)家于1931年在打賭時(shí)發(fā)明出來(lái)早期的氣凝膠非常易碎和昂貴，所以主要在實(shí)驗(yàn)室里使用。直到90年代前美國(guó)宇航局開(kāi)始對(duì)這種物質(zhì)感興趣，并讓其發(fā)揮更為實(shí)際的用途，這種材料終于走出了實(shí)驗(yàn)室。最輕的固體美國(guó)宇航局科學(xué)家研制出的一種氣凝膠，作為世界最輕的固體，正式入選吉尼斯世界紀(jì)錄。密度為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。這種氣凝膠呈半透明淡藍(lán)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(guó)國(guó)家宇航局下屬的“噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”材料科學(xué)家LarryHrubesh博士研制的。在制作過(guò)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（高壓釜）中干燥，并經(jīng)過(guò)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體積的99.8％。主要成分和玻璃一樣也是二氧化硅，但因?yàn)樗?9.8％都是空氣，所以密度只有玻璃的千分之一。

前驅(qū)體溶膠水聚合凝膠氣凝膠氣凝膠形成示意圖

水解縮聚脫水工藝流程常見(jiàn)的氧化硅氣凝膠可以在絕對(duì)零度到650℃的范圍內(nèi)使用，有些類型的氣凝膠最高能承受1400℃的高溫。非常堅(jiān)固耐用?？梢猿惺芟喈?dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力導(dǎo)熱性和折射率也很低，熱絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強(qiáng)39倍。由于具備這些特性，氣凝膠便成為航天探測(cè)中不可替代的材料，俄羅斯“和平”號(hào)空間站和美國(guó)“勇氣號(hào)”火星探測(cè)器都用它來(lái)進(jìn)行熱絕緣。彗星微粒中包含著太陽(yáng)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(yáng)和行星的歷史。2006年，“星塵”號(hào)飛船將帶著人類獲得的第一批彗星星塵樣品返回地球。美國(guó)國(guó)家宇航局的“星塵”號(hào)空間探測(cè)器已經(jīng)帶著它在太空中完成了一項(xiàng)十分重要的使命———收集彗星微粒。彗星星塵的速度相當(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(shí)，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)。有了氣凝膠，這個(gè)問(wèn)題就變得很簡(jiǎn)單了。它就像一個(gè)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(zhǎng)度200倍的距離后慢慢停下來(lái)。在進(jìn)入“氣凝膠手套”后，星塵會(huì)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。1999年，美國(guó)宇航局給其“星塵”(Stardust)號(hào)探測(cè)器裝備了一種塞滿氣凝膠的棒球手套，用于捕捉彗星尾部的塵埃。2000年，該探測(cè)器滿載塵埃樣本返回地球。2002年，美國(guó)宇航局創(chuàng)立的阿斯彭氣凝膠(AspenAerogel)公司生產(chǎn)了一種更堅(jiān)固、更柔韌的氣凝膠。

氣凝膠太空服派宇航員登陸火星預(yù)定于2018年進(jìn)行氣凝膠正用來(lái)為人類首次登陸火星時(shí)所穿的太空服研制一種保溫隔熱襯里AspenAerogel公司的一位資深科學(xué)家馬克·克拉耶夫斯基認(rèn)為，一層18毫米的氣凝膠將足以保護(hù)宇航員抵御零下130度的低溫。他說(shuō)：“它是我們所見(jiàn)過(guò)的最棒的絕熱材料?！避娛掠猛練饽z作未來(lái)的防彈住宅和軍用車輛裝甲。在實(shí)驗(yàn)室中，一個(gè)涂有6毫米氣凝膠的金屬板在炸藥爆炸中幾乎毫發(fā)無(wú)損。日常生活運(yùn)動(dòng)器材公司鄧祿普(Dunlop)已經(jīng)研制出一系列用氣凝膠加固的壁球和網(wǎng)球球拍，據(jù)說(shuō)這種球拍能釋放更大的力量2001年，英國(guó)諾丁漢66歲的鮑勃·斯托克爾擁有了一套用氣凝膠隔熱的房子，他也因此成為擁有這種房子的第一位英國(guó)人。他說(shuō)：“保溫效果大大改善了。我把自動(dòng)調(diào)溫器調(diào)低了5度。這真是一個(gè)不可思議的變化?！?000年，一位英國(guó)登山者安妮·帕曼特爾穿上帶氣凝膠鞋墊的靴子爬上珠穆朗瑪峰，就連睡袋也加有這種材料。她說(shuō)：“我唯一的問(wèn)題就是我的腳太熱，這對(duì)一名登山者來(lái)說(shuō)是一個(gè)大難題?！盚ugoBoss公司推出了一系列用這種材料制成的冬季夾克，但在消費(fèi)者紛紛抱怨這種衣服太熱之后不得不下架。隔熱材料硅氣凝膠纖細(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(gè)數(shù)量級(jí)納米微孔洞抑制了氣體分子對(duì)熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)。硅氣凝膠的折射率接近l，而且對(duì)紫外和可見(jiàn)光的湮滅系數(shù)之比達(dá)100以上，能有效地透過(guò)太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光部分，并阻隔其中的紫外光部分，成為一種理想的透明隔熱材料，在太陽(yáng)能利用和建筑物節(jié)能方面已經(jīng)得到應(yīng)用。通過(guò)摻雜的手段，可進(jìn)一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導(dǎo)，常溫常壓下?lián)教細(xì)饽z的熱導(dǎo)率可低達(dá)0．013w／m·K，是目前熱導(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。摻人二氧化鈦可使硅氣凝膠成為新型高溫隔熱材料，800K時(shí)的熱導(dǎo)率僅為0．03w／m·K，作為軍品配套新材料將得到進(jìn)一步發(fā)展。隔音材料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—107kg／m2·s)，是一種較理想的超聲探測(cè)器的聲阻耦合材料初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，密度在300kg／m3左右的硅氣凝膠作為耦合材料，能使聲強(qiáng)提高30dB，如果采用具有密度梯度的硅氣凝膠，可望得到更高的聲強(qiáng)增益。過(guò)濾與催化納米結(jié)構(gòu)的氣凝膠還可作為新型氣體過(guò)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(guò)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。吸附它還有環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。氣凝膠被科學(xué)家們描述為“終極海綿”，其表面的數(shù)百萬(wàn)小孔使其成為在水中吸附污染物的理想材料?？{茨迪斯已經(jīng)研制出一種新型氣凝膠，用于除去水中的鉛和水銀。某些形式的氣凝膠可吸附溢出的油?？梢杂盟鼇?lái)處理一些環(huán)境災(zāi)禍，象發(fā)生在1996年的SeaEmpress號(hào)溢油事故，當(dāng)時(shí)，72000噸原油傾瀉在英國(guó)彭布魯克郡米爾福德港口沿岸。儲(chǔ)能有機(jī)氣凝膠經(jīng)過(guò)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(lái)的一種新型碳素材料，它具有很大的比表面積(800—1000m2／g)和高電導(dǎo)率(10—25s／cm)．密度變化范圍廣(0.05—1.0g／cm3)．如在其微孔洞內(nèi)充人適當(dāng)?shù)碾娊庖海梢灾瞥尚滦涂沙潆婋姵?，它具有?chǔ)電容量大、內(nèi)阻小、重量輕、充放電能力強(qiáng)、可多次重復(fù)使用等優(yōu)異特性初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：碳?xì)饽z的充電容量達(dá)3×104／kg2，功率密度為7kw／kg，反復(fù)充放電性能良好。非線性光學(xué)應(yīng)用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(diǎn)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(qiáng)的可見(jiàn)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(jìn)一步研制新型激光防護(hù)鏡。通過(guò)摻雜的方法還是形成納米復(fù)合相材料的有效手段。捕獲高速粒子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(cè)器，可確定高能粒子的質(zhì)量和能量。高速粒子很容易穿入多孔材料并逐步減速，實(shí)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(jī)氣凝膠及碳?xì)饽z。作為一種獨(dú)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