氣凝膠（人造發泡物質）

氣凝膠（人造發泡物質）

氣凝膠 （人造發泡物質） 次瀏覽 | 2022.10.14 17:49:26 更新 來源 ：互聯網 精選百科 本文由作者推薦 氣凝膠人造發泡物質

氣凝膠是世界上已知密度最低的人造發泡物質。氣凝膠借由臨界干燥法將凝膠里的液體成分抽出。這種方法會令液體緩慢地被脫出，但不至于使凝膠里的固體結構因為伴隨的毛細作用被擠壓破碎。最早由美國科學工作者Kistler在1931年制得。氣凝膠的種類很多，有硅系，碳系，硫系，金屬氧化物系，金屬系等。氣凝膠擁有諸多優異特性，其中熱學方面特性最受人們重視，也是最具產業化價值的，被譽為超級隔熱材料，其隔熱保溫上的應用形式，主要為氣凝膠氈、氣凝膠板等。

中文名

氣凝膠

英文名

aerogel

別 稱

干凝膠

形 態

固體物質形態

研制時間

1931年

研制者

Kistler

簡介氣凝膠

氣凝膠是一種固體物質形態，世界上密度最小的固體之一。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠，但也有碳氣凝膠存在。

因為密度極低，目前最輕的硅氣凝膠僅有3mg/cm，比空氣重三倍，所以也被叫做“凍結的煙”或“藍煙”。由于里面的顆粒非常小（納米量級），所以可見光經過它時散射較小（瑞利散射），就像陽光經過空氣一樣。因此，它也和天空一樣看著發藍，如果對著光看有點發紅。由于氣凝膠中99.8%以上是空氣，所以有非常好的隔熱效果，一寸厚的氣凝膠相當20—30塊普通玻璃的隔熱功能。

氣凝膠在航天探測上也有多種用途，在俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”的探測器上都有用到這種材料。氣凝膠也在粒子物理實驗中，使用來作為切連科夫效應的探測器。

特性

氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量，有時也被稱為“固態煙”或“凍住的煙”。這種新材料看似脆弱不堪，其實非常堅固耐用，最高能承受1400攝氏度的高溫。它可以承受相當于自身質量幾千倍的壓力，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。

研究領域

在強激光研究方面，氣凝膠纖細的納米多孔網絡結構、巨大的比表面積、結構介觀尺度上可控，成為研制新型低密度靶的最佳候選材料。

在作為隔熱材料方面，硅氣凝膠的折射率接近1，而且對紅外和可見光的湮滅系數之比達100以上，能有效地透過太陽光，并阻止環境溫度的紅外熱輻射，成為一種理想的透明隔熱材料，在太陽能利用和建筑物節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。

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。

在環境保護及化學工業方面，納米結構的氣凝膠還可作為新型氣體過濾，與其他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。

在儲能器件方而，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展起來的一種新型碳素材料，它具有很大的比表面積和高電導率。如在其微孔洞內充入適當的電解液，可以制成新型可充電電池，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異特性。

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射，為多孔硅的量子限制效應發光提供了有力證據。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。

此外，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。因高速粒子很容易穿入多孔材料并逐步減速，實現“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。

新型氣凝膠

2012年9月，NASA的Glenn研究中心賦予了氣凝膠的功能，比如超級隔熱服，特殊過濾器，冰箱薄壁和超絕緣的建筑物等。新開發的材料具有很強的靈活性，堅固性，能夠承受折疊，褶皺，破碎，踩壓等各種極限測試，比傳統氣凝膠強500倍。

氣凝膠不論是對國外還是國內都是一個嶄新的領域。國內對于氣凝膠開發與研究的機構，浙江納諾科技有限公司成立于2004年4月；同濟大學、清華大學、浙江大學；廣東埃力生高新科技有限公司成立于2006年。國外有阿斯彭氣凝膠公司成立于2002年，其主要業務同樣是是應用氣凝膠制造工業用隔熱保溫材料。

用途廣泛

1、保溫隔熱

新疆克拉瑪依油田，稠油熱采對比圖

熱學方面的優異特性是氣凝膠最受人們重視、最具有產業化價值

，也是最能實現規模推廣的性能。在稠油開采，需要保溫的熱蒸汽管線上，保溫介質溫度約350℃，相同的保溫效果即保溫層表面溫度一致，氣凝膠氈的厚度僅需傳統保溫材料硅酸鋁的四分之一。（如右圖所示）

2、航天應用

2002年，美國宇航局成立了一家公司，專門生產更結實更有韌性的氣凝膠。美國宇航局現在已經確定，在2018年火星探險時，宇航員們將穿上用新型氣凝膠制造的宇航服。該公司的資深科學家馬克·克拉杰沃斯基說，只要在宇航服中加入一個18毫米厚的氣凝膠層，那么它就能幫助宇航員扛住1300℃的高溫和零下130℃的超低溫。“這是我見過的最有效的恒溫材料。”馬克如是說。

氣凝膠在航天中的應用遠不止這些，美國國家宇航局的“星塵”號飛船正帶著它在太空中執行一項十分重要的使命——收集彗星微粒。

3、防彈不怕被炸

防彈是新型氣凝膠的第二個重要用途。美國宇航局的這家公司正在對用氣凝膠建造的住所和軍車進行測試。根據試驗室的試驗情況來看，如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠，那么，就算炸藥直接炸中，對金屬片也分毫無傷。[2]

4、可處理生態災難

環保是新型氣凝膠的第三個重要作用。科學家們將氣凝膠親切地稱為“超級海綿”，因為其表面有成百上千萬的小孔，所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。美國科學家新發明的氣凝膠現在居然能吸出水中的鉛和水銀。據這位科學家稱，這種氣凝膠是處理生態災難的絕好材料。

5、網球拍擊球能力更強

新型氣凝膠也將步入我們每個人的未來日常生活。比如說美國的Dunlop體育器材公司已經成功研發了氣凝膠制成的網球拍。這種網球拍據說擊球的能力更強；今年年初，66歲的鮑博·斯托克成為第一個用氣凝膠建房子的英國人：“保溫加熱的效果非常好，我將空調的溫度下降了5℃，結果室內的溫度仍然非常舒適。”登山者也對氣凝膠的運用充滿了希望。英國登山家安尼·帕爾門特去年登珠峰時所穿的鞋子就是用氣凝膠制成的，他的睡袋里也有一層這種新材料。

安全性

氣凝膠的安全性取決于其制造的物質成分。若其組成成分中含有致癌物質或毒素，那膠體也會因此具有致癌性以及毒性。目前以硅為基本材質的氣凝膠還未發現具有致癌或含毒的性質。不過硅氣凝膠會刺激人的眼睛、皮膚、呼吸道和消化系統，并且一旦接觸會造成皮膚黏膜的干澀。因此建議當持著硅凝膠時最好配備著護目鏡以及手套以避免受到傷害。

超輕背景介紹

浙江大學高分子系高超教授的課題組制備出了一種超輕氣凝膠。它刷新了目前世界上最輕材料的紀錄，擁有高彈性和強吸油能力。這種被稱為“全碳氣凝膠”的固態材料密度為每立方厘米0.16毫克，僅是空氣密度的1/6。專家介紹，氣凝膠是入選吉尼斯世界紀錄的最輕的一類物質，因其內部有很多孔隙，充斥著空氣，故而得名。

1931年，美國科學家用二氧化硅制得了最早的氣凝膠，外號“凝固的煙”。2011年，美國HRL實驗室、加州大學歐文分校和加州理工學院合作制備了一種鎳構成的氣凝膠，密度為0.9毫克/立方厘米，創下了當時最輕材料的紀錄。把這種材料放在蒲公英花朵上，柔軟的絨毛幾乎沒有變形。我國的石墨儲備非常豐富，占全世界的2/3。科學研究人員一直在探索石墨高效利用的方法。“把石墨變成石墨烯（一種由碳原子構成的單層片狀結構），其價值可以上升數千倍。”高超的課題組經過五六年的探索，制備出了一維的石墨烯纖維和二維的石墨烯薄膜。打算把石墨烯做成三維多孔材料來打破這美國科學家的紀錄。

物體特性

氣凝膠

制作簡便，其形狀、尺寸可任意調節。在世界已誕生的成果中，高超課題組制備的“碳海綿”仍是最輕紀錄保持者。可達到0.16毫克/立方厘米，低于氦氣的密度。約8立方厘米的“碳海綿”大規模制造成可能。科學家聲稱，氣凝膠的基本制備原理是除去凝膠中的溶劑，讓其保留完整的骨架。在以往制備氣凝膠的案例中，科學家主要采用溶膠—凝膠法和模板導向法。前者可以批量合成，但是可控性差；后者能產生有序的結構，但依賴于模板的精細結構和尺寸，難以大量制備。高超課題組另辟蹊徑，探索出無模板冷凍干燥法：將溶解了石墨烯和碳納米管的水溶液在低溫下凍干，便獲得了“碳海綿”，并且可以任意調節形狀，令生產過程更加便捷，也使這種超輕材料的大規模制造和應用成為可能。

性能優越，高彈性、強吸附，應用前景廣闊。據專家介紹，“碳海綿”具備高彈性，被壓縮80%后仍可恢復原狀。它對有機溶劑具有超快、超高的吸附力，是迄今已報道的吸油力最高的材料。現有的吸油產品一般只能吸自身質量10倍左右的液體，而“碳海綿”的吸收量是250倍左右，最高可達900倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有機物的速度極快：每克這樣的“碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機物。20世紀，實驗室正在對這一材料的吸附性能進行進一步的應用性研究。科研人員聲稱，“碳海綿”還可能成為理想的相變儲能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效復合材料。不過很難準確預計其應用領域與前景，還得依靠社會以及產業界的想象力，讓這個新材料走出實驗室，實現應用價值

參考資料