氣凝膠完整版本

氣凝膠Aerogel

固體煙氣凝膠隔熱干凝膠當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，或凝膠的空間網狀結構中充滿的介質是氣體，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，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，這有點像是泡沫玻璃。氣凝膠樣品進行的表面形貌分析氣凝膠屬于一種固體，但99%是由氣體構成，外觀看起來像云一樣。它有數(shù)百萬小孔和皺摺，如果把1立方厘米的氣凝膠拆開，它會填滿一個有足球場那么大的地方。它的小孔不僅能像一塊海綿一樣吸附污染物，還能充當氣穴。氣凝膠內含大量的空氣，典型的孔洞線度在l—l00納米范圍，孔洞率在80%以上，是一種具有納米結構的多孔材料，在力學、聲學、熱學、光學等諸方面均顯示其獨特性質。它們明顯不同于孔洞結構在微米和毫米量級的多孔材料，其纖細的納米結構使得材料的熱導率極低，具有極大的比表面積．對光、聲的散射均比傳統(tǒng)的多孔性材料小得多，這些獨特的性質不僅使得該材料在基礎研究中引起人們興趣，而且在許多領域蘊藏著廣泛的應用前景。氣凝膠由一位美國化學家于1931年在打賭時發(fā)明出來早期的氣凝膠非常易碎和昂貴，所以主要在實驗室里使用。直到90年代前美國宇航局開始對這種物質感興趣，并讓其發(fā)揮更為實際的用途，這種材料終于走出了實驗室。最輕的固體美國宇航局科學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國家宇航局下屬的“噴氣推進實驗室”材料科學家LarryHrubesh博士研制的。在制作過程中，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，并經過加熱和降壓，形成多孔海綿狀結構。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，但因為它99.8％都是空氣，所以密度只有玻璃的千分之一。

前驅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的氧化硅氣凝膠可以在絕對零度到650℃的范圍內使用，有些類型的氣凝膠最高能承受1400℃的高溫。非常堅固耐用?？梢猿惺芟喈斢谧陨碣|量幾千倍的壓力導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39倍。由于具備這些特性，氣凝膠便成為航天探測中不可替代的材料，俄羅斯“和平”號空間站和美國“勇氣號”火星探測器都用它來進行熱絕緣。彗星微粒中包含著太陽系中最原始、最古老的物質，研究它可以幫助人類更清楚地了解太陽和行星的歷史。2006年，“星塵”號飛船將帶著人類獲得的第一批彗星星塵樣品返回地球。美國國家宇航局的“星塵”號空間探測器已經帶著它在太空中完成了一項十分重要的使命———收集彗星微粒。彗星星塵的速度相當于步槍子彈的6倍，盡管體積比沙粒還要小，可是當它以如此高速接觸其它物質時，自身的物理和化學組成都有可能發(fā)生改變，甚至完全被蒸發(fā)。有了氣凝膠，這個問題就變得很簡單了。它就像一個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于自身長度200倍的距離后慢慢停下來。在進入“氣凝膠手套”后，星塵會留下一段胡蘿卜狀的軌跡，由于氣凝膠幾乎是透明的，科學家可以按照軌跡輕松地找到這些微粒。1999年，美國宇航局給其“星塵”(Stardust)號探測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，該探測器滿載塵埃樣本返回地球。2002年，美國宇航局創(chuàng)立的阿斯彭氣凝膠(AspenAerogel)公司生產了一種更堅固、更柔韌的氣凝膠。

氣凝膠太空服派宇航員登陸火星預定于2018年進行氣凝膠正用來為人類首次登陸火星時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家馬克·克拉耶夫斯基認為，一層18毫米的氣凝膠將足以保護宇航員抵御零下130度的低溫。他說：“它是我們所見過的最棒的絕熱材料?！避娛掠猛練饽z作未來的防彈住宅和軍用車輛裝甲。在實驗室中，一個涂有6毫米氣凝膠的金屬板在炸藥爆炸中幾乎毫發(fā)無損。日常生活運動器材公司鄧祿普(Dunlop)已經研制出一系列用氣凝膠加固的壁球和網球球拍，據說這種球拍能釋放更大的力量2001年，英國諾丁漢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人。他說：“保溫效果大大改善了。我把自動調溫器調低了5度。這真是一個不可思議的變化?！?000年，一位英國登山者安妮·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：“我唯一的問題就是我的腳太熱，這對一名登山者來說是一個大難題?！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的納米網絡結構有效地限制了局域熱激發(fā)的傳播，其固態(tài)熱導率比相應的玻璃態(tài)材料低2—3個數(shù)量級納米微孔洞抑制了氣體分子對熱傳導的貢獻。硅氣凝膠的折射率接近l，而且對紫外和可見光的湮滅系數(shù)之比達100以上，能有效地透過太陽光中的可見光部分，并阻隔其中的紫外光部分，成為一種理想的透明隔熱材料，在太陽能利用和建筑物節(jié)能方面已經得到應用。通過摻雜的手段，可進一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導，常溫常壓下?lián)教細饽z的熱導率可低達0．013w／m·K，是目前熱導率最低的固態(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時的熱導率僅為0．03w／m·K，作為軍品配套新材料將得到進一步發(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器的聲阻耦合材料初步實驗結果表明，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增益。過濾與催化納米結構的氣凝膠還可作為新型氣體過濾，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用前景。吸附它還有環(huán)保的優(yōu)點。氣凝膠被科學家們描述為“終極海綿”，其表面的數(shù)百萬小孔使其成為在水中吸附污染物的理想材料。卡納茨迪斯已經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。可以用它來處理一些環(huán)境災禍，象發(fā)生在1996年的SeaEmpress號溢油事故，當時，72000噸原油傾瀉在英國彭布魯克郡米爾福德港口沿岸。儲能有機氣凝膠經過燒結工藝處理后將得到碳氣凝膠這種導電的多孔材料是繼纖維狀活性碳以后發(fā)展起來的一種新型碳素材料，它具有很大的比表面積(800—1000m2／g)和高電導率(10—25s／cm)．密度變化范圍廣(0.05—1.0g／cm3)．如在其微孔洞內充人適當?shù)碾娊庖海梢灾瞥尚滦涂沙潆婋姵?，它具有儲電容量大、內阻小、重量輕、充放電能力強、可多次重復使用等優(yōu)異特性初步實驗結果表明：碳氣凝膠的充電容量達3×104／kg2，功率密度為7kw／kg，反復充放電性能良好。非線性光學應用在材料的量子尺寸效應研究方面，由于硅氣凝膠的納米網絡內形成量子點結構，化學氣相滲透法摻Si及溶液法摻C60的結果表明，摻雜劑是以納米晶粒的形式存在，并觀察到很強的可見光發(fā)射，為多孔硅的量子限制效應發(fā)光提供了有力證據。利用硅氣凝膠的結構以及C60的非線性光學效應，可進一步研制新型激光防護鏡。通過摻雜的方法還是形成納米復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的材料，使用不同密度的氣凝膠介質作為切倫柯夫閥值探測器，可確定高能粒子的質量和能量。高速粒子很容易穿入多孔材料并逐步減速，實現(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、有機氣凝膠及碳氣凝膠。作為一種獨特的材料制備手段，相關的工藝在其它新材料研制中得到廣泛應用，如制備氣孔率極高的多孔硅