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二氧化硅气凝胶的应用与发展

来源:未知 作者:海恒科研仪器 发布时间:2021-09-01 次浏览

气凝胶(aerogels)通常是指以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构,并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。气凝胶是一种固体,但是99%都是由气体构成,外...

    气凝胶(aerogels)通常是指以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构,并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。气凝胶是一种固体,但是99%都是由气体构成,外观看起来像云一样。气凝胶因其半透明的色彩和超轻重量,有时也被称为固态烟冻住的烟

    常见的气凝胶为二氧化硅气凝胶。SiO2气凝胶是一种防热隔热性能非常优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料,其孔隙率高达80-99.8%,孔洞的典型尺寸为1-100nm,比表面积为200-1000m2/g,而密度可低达3kg/m3,室温导热系数可低达0.012W/m•k)。正是由于这些特点使气凝胶材料在热学、声学、光学、微电子、粒子探测方面有很广阔的应用潜力。

一、气凝胶的性质

1.隔热性

    SiO2气凝胶材料具有极低的导热系数,可达到0.013-0.016W/(m·K),低于静态空气(0.024W/(m·K))的热导系数,比相应的无机绝缘材料低2-3个数量级。即使在800℃的高温下其导热系数才为0.043W/(m·K)。高温下不分解,无有害气体放出,属于绿色环保型材料。SiO2硅气凝胶与各种耐热纤维复合后,可制成各种形式的保温材料。可广泛用于工业、建筑、管道、汽车、航天等领域。

2.隔音性

    由于硅气凝胶的低声速特性,它还是一种理想的声学延迟或高温隔音材料。该材料的声阻抗可变范围较大(103-107kg/m2·s),是一种较理想的超声探测器的声阻耦合材料。

    初步实验结果表明,密度在300kg/m3左右的硅气凝胶作为耦合材料,能使声强提高30dB,如果采用具有密度梯度的硅气凝胶,可望得到更高的声强增益。

3.非线性光学性质

    由于硅气凝胶的纳米网络内形成量子点结构,化学气相渗透法掺Si及溶液法掺C60的结果表明,掺杂剂是以纳米晶粒的形式存在,并观察到很强的可见光发射,为多孔硅的量子限制效应发光提供了有力证据。利用硅气凝胶的结构以及C60的非线性光学效应,可进一步研制新型激光防护镜。

4.过滤与催化性质

    纳米结构的气凝胶还可作为新型气体过滤,与其它材料不同的是该材料孔洞大小分布均匀,气孔率高。由于该材料特别大的比表而积。气凝胶在作为新型催化剂或催化剂的载体方而亦有广阔的应用前景。

5.折射率可调性

    硅气凝胶的折射率接近1,而且对红外和可见光的湮灭系数之比达100以上,能有效地透过太阳光中的可见光部分,并阻隔其中的红外光部分,成为一种理想的透明隔热材料,在太阳能利用和建筑物节能方面已经得到应用。

二、气凝胶的用途

1)工业领域

    在石油、化工和冶金行业中,管道、炉窑及其它热工设备普遍存在,用SiO2气凝胶及其复合材料替代传统的保温材料对它们进行保温,可以大大减少热能损失,提高热能利用率。还可以用作液态天然气罐和储油罐等以及汽车、飞机等发动机和排气管的隔热材料。

2)民用领域

    用热导率极低的掺杂SiO2气凝胶可用作为冰箱的隔热材料,还可以用于楼房建筑的保温、隔音材料等。常用建筑保温材料多为聚苯乙烯、聚氨酯等高分子发泡材料,材料尺寸较厚,给施工以及后期稳定性带来许多问题,而且高分子保温材料易燃,容易引起火灾。SiO2气凝胶能耐高温,一般在800℃下,结构、性能无明显变化,是一种安全、节能、环保的超级绝热材料。

    气凝胶也正走进我们的日常生活。运动器材公司邓禄普(Dunlop)已经研制出一系列用气凝胶加固的壁球和网球球拍,据说这种球拍能释放更大的力量。登山者也开始从气凝胶中受益。2000年,英国登山者安妮·帕曼特尔穿上带气凝胶鞋垫的靴子爬上珠穆朗玛峰,就连睡袋也加有这种材料。她说:我唯一的问题就是我的脚太热,这对一名登山者来说是一个大难题。

3)太阳能集热器

    具有高度透光率及低热导率的气凝胶对入射光几乎没有反射损失,能有效的透过太阳光,气凝胶又能有效阻止热量流失。因此气凝胶特别适合于用作太阳能集热器及其它集热装置的保温隔热材料。将气凝胶绝热材料应用于热水器的储水箱、管道和集热器,将比现有太阳能热水器的集热效率提高1倍以上,而热损失下降到现有水平的30%以下。

3)航空航天领域

    气凝胶超级绝热材料质量、隔热效果优异,在航空、航天应用领域具有很好的应用前景。美国NASAAmes研究中心研发的硅酸铝耐火纤维/SiO2气凝胶复合绝热瓦已用于航天飞机,俄罗斯的和平号空间站也采用了SiO2气凝胶作为隔热保温材料。气凝胶正用来为人类首次登陆火星时所穿的太空服研制一种保温隔热衬里。

    气凝胶还被用于收集彗星微粒。它就像一个极其柔软的棒球手套,可以轻轻地消减彗星星尘的速度,使它在滑行一段相当于自身长度200倍的距离后慢慢停下来。在进入气凝胶手套后,星尘会留下一段胡萝卜状的轨迹,由于气凝胶几乎是透明的,科学家可以按照轨迹轻松地找到这些微粒。

4)军工

    防弹是新型气凝胶的另一个重要用途。美国宇航局的这家公司正在对用气凝胶建造的住所和军车进行测试。根据试验室的试验情况来看,如果在金属片上加一层厚约6毫米的气凝胶,那么,就算被炸药直接炸中,金属片也分毫无伤。

5)过滤和催化中的应用

    在环境保护及化学工业方面,纳米结构的气凝胶还可作为新型气体过滤,与其它材料不同的是该材料孔洞大小分布均匀,气孔率高,是一种气体过滤材料。气凝胶还可以用作吸附材料,例如吸附CO2气体,吸附苯等化学有毒气体,吸附炸药废水等。由于该材料特别大的比表而积。气凝胶在作为新型催化剂或催化剂的载体方而亦有广阔的应用前景。

6)在其它方面的应用

    SiO2气凝胶具有极高的比表面积和孔隙率,近年来被广泛应用于Cerenkov探测器中,以探测高能带电粒子。SiO2气凝胶也曾一度被用于等离子体研究中作为惯性限制熔融试验体目标组分。

    由轻原子量元素组成的低密度、微孔分布均匀的SiO2气凝胶对氖具有良好的吸附性能,因而为惯性约束聚变实验研制高增益靶提供了一个新途径,这对于利用受控热核聚变反应来获得廉价、清洁的能源具有重要意义。

五、市场需求与展望

    SiO2气凝胶具有独特的介孔结构和性能,应用领域广泛。因其具有优异的绝热性能,可作为超级保温材料,用于各种领域。

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