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氣凝膠的歷史

氣凝膠的結構與制備氣凝膠特性與應用氣凝膠的歷史

1931年Kistle:用硅酸鈉為硅源，鹽酸為催化劑，制備了水凝膠，然后通過溶劑置換和乙醇超臨界干燥，首次制備了SiO2氣凝膠。在此后的幾年時間里，Kistler詳盡地表征了SiO2氣凝膠的特性，并制備了許多有研究價值的其它氣凝膠材料，包括:AI2O3、WO3等氣凝膠材料。氣凝膠的結構與制備

定義：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)狀結構中充滿的介質是氣體，外表呈固體狀，所以氣凝膠也被稱為干凝膠。氣凝膠是一種固體物質形態(tài)，世界上密度最小的固體。這種材料的特點是透明，密度低（0.003-0.3g/cm-1），高孔隙率（80%-99.8%），大比表面積（100-1600m2/g）極低的熱導率[10-40mW/(m·K)]氣凝膠的制備一般要經過溶膠-凝膠聚合和后處理兩個過程。溶膠-凝膠法是指金屬的有機或無機化合物在溶液（一般指有機溶液）中水解縮合成膠液，然后出去溶劑形成凝膠，最終制得固體氧化物和其他化合物的方法；氣凝膠的后處理是指在溶膠-凝膠聚合過后，經過老化、防開裂、干燥等一系列步驟得到性能獨特的氣凝膠。最早的氣凝膠最早由美國科學工作者Kistler在1931年制得。制備方法是對硅酸鈉水溶液進行酸處理濃縮，然后用超臨界水再溶解二氧化硅，當排除水后，二氧化硅沉淀下來。為了出去凝膠中的鹽類，用水洗滌二氧化硅凝膠，然后用乙醇交換水。隨后用乙醇變成超臨界流體，并慢慢釋放乙醇行最初意義的氣凝膠。超臨界水：是指當氣壓和溫度達到一定值時，因高溫而膨脹的水的密度和因高壓而被壓縮的水蒸氣的密度正好相同時的水。此時，水的液體和氣體便沒有區(qū)別，完全交融在一起，成為一種新的呈現(xiàn)高壓高溫狀態(tài)的液體。有機氣凝膠的制備有機氣凝膠是由pekal在1989年首先提出的他利用間苯二酚和甲醛之間的縮合反應首次制備了RF有機氣凝膠。反應物混合溶液在Na2O3的催化作用下凝膠化，經超臨界干燥后得到氣凝膠。制備RF氣凝膠最重要的參數(shù)是催化劑濃度和溶液的PH值,樣品的密度,比表面積以及顆粒和孔尺寸等性能都會受到這兩個因素的影響.以航空航天應用為背景，美國國家航空航天局的研究人員Meador長期致力于聚酰亞胺凝膠的制備和表征。他們制備的氣凝膠不僅具有良好的耐熱性，還具有耐彎折、耐壓縮的特點。憑借聚酰亞胺良好的介電性能，這種氣凝膠還可以用作輕質接線天線的基板材料。

制備聚酰亞胺氣凝膠的的化學反應路線二氧化硅氣凝膠的制備主要采用正硅酸乙酯，正甲基硅烷或水玻璃等作為硅源。溶膠-凝膠過程中通過硅源物質的水解和縮聚獲得具有三維網(wǎng)絡結構的二氧化硅凝膠。以正硅酸乙酯為例，說說反應機理：當溶膠變成凝膠后，水解和濃縮反應遠未完成。此時，凝膠的二氧化硅骨架中包含未反應的醇鹽基團。實際上，凝膠后，水解和濃縮的時間甚至是凝膠視角的好幾倍。英雌必須有足夠的時間是網(wǎng)絡結構強化使網(wǎng)絡結構表面的-OH繼續(xù)反應縮聚反應，形成新的Si--O鍵。通過控制水含量和PH值可以增強骨架結構。老化后的凝膠還有水保留在空隙中，必須干燥錢除去。用乙醇浸泡無數(shù)次，知道除去所有的水，時間的長短與形成凝膠的厚度。如果水沒在超臨界干燥過程前除去，將導致材料的不透明。發(fā)白，以及密度增加。再通過超臨界干燥就制成了氣凝膠。超臨界干燥：由于凝膠骨架內部的溶劑存在表面張力，在普通的干燥條件下會造成骨架的坍縮。超臨界干燥旨在通過壓力和溫度的控制，使溶劑在干燥過程中達到其本身的臨界點，完成液相至氣相的超臨界轉變。過程中溶劑無明顯表面張力，在維持骨架結構的前提下完成濕凝膠向氣凝膠的轉變。

在無機的二氧化硅氣凝膠中引入有機組分，是獲得有機無機雜化氣凝膠的一種有效途徑。Guo等用粘土增強聚酰亞胺／二氧化硅雜化氣凝膠，隨著粘土摻雜量的增加，氣凝膠的密度基本保持不變，而模量提高了將近三倍，說明粘土有效地增強了氣凝膠的骨架結構。改性后的雜化氣凝膠往往被賦予新的功能，如超疏水性氣凝膠可以用作水處理材料等。Cai等則是在纖維素水凝膠的骨架表面原位沉積二氧化硅，得到纖維素/二氧化硅雜化氣凝膠，這種氣凝膠呈半透明，耐壓縮，抗拉伸，并能夠打結，顯示出很好的韌性。

氣凝膠的性質與應用氣凝膠特有的納米多孔、三維網(wǎng)絡結構，氣凝膠具有許多獨特的性能，尤其表現(xiàn)在高孔隙率、低密度、低熱導率等方面

熱學特性及其應用氣凝膠的納米多孔結構使它具有極佳的絕熱性能，其熱導率甚至比空氣還要低，空氣在常溫真空狀態(tài)下的熱導率為0.026w/m·k，而氣凝膠在常溫常壓下的熱導率一般小于0.020w/m·k，在抽真空的狀態(tài)下，熱導率可低至0.004w/m·k。

氣凝膠之所以具有如此良好的絕熱特性與它的高孔隙率有關。熱量的傳導主要通過三種途徑來進行，氣體傳導，固體傳導，輻射傳導。在這三種方式中，通過氣體傳導的熱量是很小的，因此大部分氣體都具有非常低的熱導率。常用的絕熱材料都是多孔結構，其正是利用了空氣占據(jù)了固體材料的一部分體積，從而降低了材料整體的熱導率。氣凝膠的孔隙率比普通絕熱材料要大得多，其95%以上都是由空氣構成，決定了其將具有與空氣一樣低的熱導率。而且，氣凝膠中包含大量孔徑小于70nm的孔，70nm是空氣中主要成分氮氣和氧氣的自由程，因此意味著空氣在氣凝膠中將無法實現(xiàn)對流，使得氣態(tài)熱導率進一步降低。氣凝膠中含量極少的固體骨架也是由納米顆粒組成，其接觸面積非常小，使得氣凝膠同樣具有極小的固態(tài)熱導率。SiO2氣凝膠作為一種納米孔超級絕熱材料，除具有極低的熱導率之外還具有超輕質以及高熱穩(wěn)定性的特性，它在工業(yè)、民用、建筑、航天及軍事等領域具有非常廣泛的應用。傳統(tǒng)工業(yè)領域：如石化行業(yè)、化工行業(yè)、冶金行業(yè)等等，管道、爐窯及其它熱工設備普遍存在，用氣凝膠隔熱材料替代傳統(tǒng)的保溫材料，節(jié)能效果明顯。節(jié)能建筑：由于氣凝膠既具有絕熱特性，又具有吸聲特性，且具有透光性，因此可以將氣凝膠夾在雙層玻璃之間制成夾芯玻璃，其絕熱效果比普通的雙層玻璃高幾倍，且具有降噪效果。將這種玻璃用于房屋的窗戶，可以大大降低熱量流失，有明顯的節(jié)約能源的作用，以氣凝膠為夾層的窗玻璃的熱損失率比目前最好的窗系（氫氣充填并用低發(fā)射率的銦氧化物或銀涂層）還要減少三分之二。如果將氣凝膠玻璃用于高層建筑取代一般幕墻玻璃，將大大減輕建筑物自重，并能起到防火作用。航空航天：與傳統(tǒng)隔熱材料相比，SiO2氣凝膠隔熱材料可以用更輕的質量、更小的體積達到更好的隔熱效果，這一特點在航空、航天應用領域具有極大的優(yōu)勢。氣凝膠可以作為飛機上使用的隔熱消音材料。據(jù)報道，航天飛機及宇宙飛船在重返大氣層時要經歷數(shù)千攝氏度的白熾高溫，保護其安全重回地球的絕熱材料正是SiO2氣凝膠。美國NASA在“火星流浪者”的設計中，使用了SiO2氣凝膠作為航天飛機的保溫層,用來抵擋火星夜晚的超低溫。聲學特性及其應用聲學特征：吸聲材料要求材料內部充滿孔隙，并且孔隙是互相連通且與表面相通的。當聲波入射到材料表面時，一部分在材料表面反射掉，另一部分則透入到材料內部向前傳播。聲波在傳播過程中，其產生的振動引起小孔或間隙內的空氣運動,造成和孔壁的摩擦，緊靠孔壁和纖維表面的空氣受孔壁的影響不易動起來，由于摩擦和粘滯力的作用，使相當一部分聲能轉化為熱能。

氣凝膠內部充滿了兩端開放并與表面相通的納米孔，其高達1000m2/g的比表面積說明了其中包含孔的數(shù)量之多，因此聲音在其中傳播時，聲能將被其大量存在的孔壁大大消耗，這使得氣凝膠具有比普通多孔材料高數(shù)十倍的吸聲效果。另外氣凝膠熱穩(wěn)定性非常好，耐腐蝕，且經過表面處理的氣凝膠疏水，這使其其在極端高溫及惡劣腐蝕環(huán)境下仍具有良好的吸聲性能。目前使用的普通吸聲材料如玻璃棉、礦物棉、巖棉等，吸聲效率不高，且性能不穩(wěn)定。氣凝膠作為一種新型吸聲材料，不但吸聲效果更好，且超輕質，無污染，它的用途將非常廣泛，尤其在航空航天方面由于其輕質的特點，將成為吸聲材料的首選。此外，還可將氣凝膠材料用做建筑的吸聲材料，有優(yōu)良的隔音效果。催化特性及其應用催化特性：超微粒子特定的表面結構有利于活性組分的分散,從而可以對許多催化過程產生顯著的影響。氣凝膠是一種由納米粒子組成的固體材料，這種材料具有小粒徑、高比表面積和低密度等特點，這些特點使氣凝膠催化劑的活性和選擇性均遠遠高于常規(guī)催化劑，而且活性組分可以非常均勻地分散于載體中，同時它還具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，可以有效的減少副反應發(fā)生。因此氣凝膠作為催化劑，其活性、選擇性和壽命都可以得到大幅度地提高，具有非常良好的催化特性。光學特性及應用純凈的SiO2氣凝膠是透明無色的，它的折射率（1.006～1.06）非常接近于空氣的折射率，這意味著SiO2氣凝膠對入射光幾乎沒有反射損失，能有效地透過太陽光。正因為如此，SiO2氣凝膠才能夠被用來制作絕熱降噪玻璃。利用不同密度的SiO2氣凝膠膜對不同波長的光制備光耦合材料，可以得到高級的光增透膜。電學特性及應用氣凝膠具有低介電常數(shù)（1<e<2），而且可通過改變其密度調節(jié)介電常數(shù)值。隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，對集成電路運算速度的要求越來越高。一般而言，所用襯底材料的介電常數(shù)越低，