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探秘一种神奇的材料气凝胶:世界上最轻最保暖的绝热材料

  什么是气凝胶?气凝胶(aerogel)是一种内部网络结构充满气体,外表呈现固体状密度极低的多孔材料,1931 年由美国 Kistler.S.发明,因轻若薄雾蓝色泛蓝,又被称为“蓝烟” 、“冻结的烟”,是目前最轻的固体材料。它的网络结构一般是由相互交联的纳米颗粒所组成,其中颗粒内部的孔隙主要是微孔,颗粒与颗粒之间则大多是 2 nm 上的中孔或大孔。

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  气凝胶具有低密度(~ 0.16 mg/cm3)、高比表面积(400-1000 m2g-1)、高孔隙率(90%-99.8%)、低热导率(~ 0.012 Wm-1k-1)、结构可控等诸多优异性能,被称为改变世界的神奇材料,列入 20 世纪 90 年代以来 10 大热门科学技术之一,具有巨大的军民两用应用价值。

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  气凝胶的分类气凝胶通常有四种分类方式: 从外观特点可以被划分为块状、粉状以及薄膜状气凝胶;从制备方法可被划分为气凝胶、

  干凝胶和冻凝胶;从不同的微结构可以被划分为微孔,介孔以及混合孔洞气凝胶。

  从成分构成分类是气凝胶最普遍的区分方式,分为单一组分和复合组分两大类。单一组分气凝胶包括氧化物气凝胶(二氧化硅和非二氧化硅),有机气凝胶(树脂基和纤维基),碳气凝胶(碳化塑料、碳纳米管和石墨烯),硫化物气凝胶和其他种类的气凝胶(单一元素、碳化物);复合组分气凝胶包括多组分气凝胶、梯度气凝胶以及微/纳气凝胶复合物。其中硅气凝胶、碳气凝胶和二氧化硅气凝胶最常见。

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  气凝胶的制备(一) 气凝胶的制备过程气凝胶的制备过程主要包括三个重要步骤,由于气凝胶的应用性设计是基于它的性能

  (1)溶液到溶胶过程:纳米尺度的胶体粒子通过缩聚和水解反应在均匀的前驱物溶液中形成,或是通过催化剂来催化加速。

  (2)溶胶到凝胶的过程(凝胶):溶胶粒子之间手拉手连接,分层装配进一个具有连续网状结构的湿凝胶。

  (3)凝胶到气凝胶的过程(干燥):这个过程中湿凝胶中的溶剂被空气所替代,同时不会有严重的微结构破坏。

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  气凝胶的制备技术气凝胶的制备技术主要包括溶胶-凝胶技术和干燥技术,前者主要是获得具有一定空间网络结构的含有少量催化剂的醇凝胶,后者则是去掉醇凝胶网络骨架中的溶剂得到最终的气凝胶材料。

  (1)溶胶-凝胶技术

  a、无机气凝胶的溶胶-凝胶技术:目前研究最多的无机气凝胶是硅气凝胶。在溶胶-凝胶过程中通过硅源物质的水解和缩聚获得具有三维网络结构的 SiO2 凝胶,反应生成以≡Si-O-Si≡为主体的聚合物,再经过老化阶段后,形成网络结构的凝胶。在凝胶形成的过程中,部分水解的有机硅发生缩聚反应,缩聚的硅氧链上未水解的基团可继续水解。

  通过调节反应溶液的酸碱度, 控制水解-缩聚过程中水解反应和缩聚反应的相对速率,可得到凝胶结构。在酸性条件下 (pH=2.0-5.0),水解速率较快,体系中存在大量硅酸单体,有利于成核反应形成较多的核, 但尺寸都较小,最终将形成弱交联度、低密度网络的凝胶;在碱性条件下,缩聚反应速率较快, 硅酸单体一经生成即迅速缩聚,因而体系中单体浓度相对较低,不利于成核反应,但利于核的长大及交联,易形成致密的胶体颗粒,最终得到颗粒聚集而成的胶粒状凝胶。

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  强碱性或高温条件下 Si-O 键形成的可逆性增加,即 SiO2 的溶解度增大,使最终凝胶结构受热力学控制,在表面张力作用下形成由表面光滑的微球构成的胶粒聚集体。许多研究尤其是氧化铝、氧化钛气凝胶的制备都采用类似的方法。

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  气凝胶的应用现状气凝胶是一种结构特殊的纳米材料,具有许多特殊的物理、化学性质,在众多方面有着广泛的应用或潜在的应用前景,是极具开发潜力和研究价值的材料。就目前而言,气凝胶材料的研究方向主要集中在制备工艺的更新换代上,人们正尝试研究出新的制备工艺来取代原有的成本较高、周期较长的制备工艺,而对于气凝胶复合材料的制备和研究较少。

  因此,随着制备工艺的不断优化和调整,以气凝胶为基体的复合材料的研究应该会成为未来的研究方向之一, 通过与其他材料复合,充分利用气凝胶材料在隔热等方面的性能优势,弥补其力学性能上的不足,从而使气凝胶材料更加广泛地应用到更多领域中,创造出更多的社会价值和经济价值。

  本文完整报告《前沿材料系列报告之气凝胶 》22页可在网站全部下载

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