氣凝膠簡介

                                • 時間: 2015-08-31 10:10:22
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                                二氧化硅氣凝膠又被稱作“藍煙”、“固體煙”,是目前已知的密度最小、質量最輕的固體材料,也是迄今為止保溫性能最好的材料。因其具有納米多孔結構(1~100nm)、低密度(3~250kg/m3)、低介電常數(1.1~2.5)、低導熱系數(0.013~0.025W/(m·k))、高孔隙率(80~99.8%)、高比表面積(500~1000m2/g)等特點,在力學、聲學、熱學、光學等諸方面顯示出獨特性質,氣凝膠貌似“弱不禁風”,其實非常堅固耐用。它可以承受相當于自身質量幾千倍的壓力,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。在航天、軍事、石油、化工、礦產、通訊、醫用、建材、電子、冶金等眾多領域有著廣泛而巨大的應用價值,被稱為“改變世界的神奇材料”。

                                氣凝膠基本特性

                                1、熱學特性

                                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(氣體分子兩次碰撞之間的時間內經過的路程的統計平均值),因此意味著空氣在氣凝膠中將無法實現對流,使得氣態熱導率進一步降低。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熱導率。氣凝膠的熱輻射傳導主要為發生在3-5μm區域內的紅外熱輻射,其在常溫下能夠有效的阻擋紅外熱輻射,但隨著溫度的升高,紅外熱輻射透過性增強。為了進一步降低高溫紅外熱輻射,通常向氣凝膠中加入遮光劑,如碳黑、二氧化鈦等,遮光劑的使用能夠大大降低高溫下的紅外熱輻射。

                                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定性的特性,它在工業、民用、建筑、航天及軍事等領域具有非常廣泛的應用。

                                2、聲學特性

                                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,一部分在材料表面被反射,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流動,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十倍的吸聲效果。另外氣凝膠熱穩定性非常好,耐腐蝕,且經過表面處理的氣凝膠疏水,這使其在極端高溫及惡劣腐蝕環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,有優良的隔音效果。

                                由于氣凝膠的密度可以通過改變制備條件對其進行控制,因此使得聲阻亦可調。這一特性使得氣凝膠可作為聲阻耦合材料,如作為壓電陶瓷與空氣的聲阻耦合材料。壓電陶瓷具有極高的聲阻,空氣則具有極低的聲阻,阻抗在二者之間某個值的材料能夠匹配聲學阻抗。用SiO2氣凝膠耦合高聲阻的壓電陶瓷和低聲阻的空氣,Krauss等報道這一耦合結果使聲強提高43.5dB

                                水聲反聲材料是指聲波由水中入射到材料層上能無損耗地全部反射出去的材料。在潛艇上構成聲納設備聲學系統的材料中,水聲反聲材料是非常重要的,它可以使聲納單方向工作,消除非探測方向來的假目標信號的干擾,同時隔離裝備體自身噪聲,提高聲納的信噪比和增益。特性阻抗與水的特性阻抗嚴重失配的材料可用作水聲反聲材料。常壓下空氣的密度和聲速都遠遠小于水的密度和聲速,空氣的特性阻抗將比水小得多,與水阻抗失配嚴重,因此含有大量空氣的材料可作為常壓水中的反聲材料。氣凝膠高孔隙率且超輕質的特點使其成為最佳的水聲反聲材料,既具有良好的水聲反聲效果,又不增加潛艇的重量。

                                3、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,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,同時它還具有優良的熱穩定性,可以有效的減少副反應發生。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。

                                1938年,Kearby 等發現在醇向胺的轉化過程中,Cr2O3Al2O3復合氧化物氣凝膠是一種性能良好的催化劑。1974年,Gardes 等制備了NiO/Al2O3 氣凝膠催化劑并把它應用于乙苯脫乙基制苯,具有非常良好的效果。初期氣凝膠催化劑主要用于一些有工業應用背景的有機反應,如乙酸轉化為丙酮、丙酸轉化為二乙基丙酮等反應,近年來已經發現了氣凝膠更多的催化特性。

                                4、吸附特性

                                由于氣凝膠由納米顆粒骨架構成,具有高通透性的三維納米網絡結構,擁有很高的比表面積(6001200 m2/g 和孔隙率(高達90 %以上),且孔洞又與外界相通,因此它具有非常良好的吸附特性,在氣體過濾器、吸附介質方面有著很大的應用價值。

                                對比疏水SiO2氣凝膠、活性炭纖維以及活性炭顆粒對吸附介質為苯、甲苯、四氯化碳、乙醛的吸附性能測試結果,比較發現,SiO2氣凝膠的吸附性能較活性炭纖維(ACF) 和活性炭顆粒(GAC) 更為優越。而且通過改性制備出的疏水SiO2氣凝膠,可以避免親水型活性炭在潮濕環境下吸附性能大幅降低。同時若將SiO2氣凝膠進行第一次吸附脫附后,再次進行吸附研究,SiO2氣凝膠可方便地經由熱氣流脫附,再吸附容量基本不變,這就為循環利用創造了有利的條件。

                                5、光學特性

                                純凈的SiO2氣凝膠是透明無色的,它的折射率(1.0061.06)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。因此,SiO2氣凝膠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。

                                當通過控制制備條件獲得不同密度的SiO2氣凝膠時,它的折射率可在1.008-1.4范圍內變化,因此SiO2氣凝膠可作為切侖科夫探測器中的介質材料,用來探測高能粒子的質量和能量。

                                6、電學特性

                                氣凝膠具有低介電常數(1<e<2),而且可通過改變其密度調節介電常數值。隨著微電子工業的迅速發展,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越低,則運算速度越快。現在集成電路所用的襯底材料為Al2O3,其介電常數為10,目前的趨勢是使用聚酰亞胺或其它高聚物介電材料替代Al2O3,然而,高聚物的熱膨脹系數較高,容易引起應力以及變形。氣凝膠具有一些更優越的特性,其介電常數值很低且可以調節,其熱膨脹系數與硅材料相近因此應力很小,而且相對聚酰亞胺它有良好的高溫穩定性。因此如將集成電路所用的襯底材料改成氣凝膠薄膜,其運算速度可提高3倍。

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