气凝胶产品介绍PPT课件.ppt

气凝胶隔热保温复合材料 提纲 一 气凝胶概念与起源二 气凝胶性能与应用三 气凝胶产品介绍 2 第一部分 气凝胶概念与起源 3 什么是气凝胶 凝胶 gel 溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子在一定条件下互相连接 形成空间网状结构 结构空隙中充满了作为分散介质的液体 这样一种特殊的分散体系称作凝胶 凝胶没有流动性 内部常含有大量液体 例如血凝胶 琼脂的含水量都可达99 以上 由溶液或溶胶形成凝胶的过程称为胶凝作用 gelation 气凝胶 aerogel 当凝胶脱去大部分溶剂 使凝胶中液体含量比固体含量少得多 或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体 外表呈固体状 即分散介质为气体的凝胶材料称为气凝胶 是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成的一种具有网络结构的纳米多孔性固体材料 其固体相和孔隙结构均为纳米量级 4 什么是气凝胶 世界最轻的固体 正式入选吉尼斯世界纪录 密度为3 55Kg m3 仅为空气密度的2 75倍 这种气凝胶呈半透明淡蓝色 重量极轻 因此人们也把它称为 固态烟 5 什么是气凝胶 SiO2气凝胶SEM图 SiO2气凝胶微观图 6 什么是气凝胶 气凝胶分类 按其组分 可分为单组分气凝胶 如SiO2 Al2O3 TiO2 炭气凝胶 有机气凝胶炭化后得到 等 多组分气凝胶 如SiO2 Al2O3 SiO2 TiO2等 最典型的研究最多的气凝胶是单组份的SiO2气凝胶和炭气凝胶 有机气凝胶 7 气凝胶的起源 1931年 美国科学家Steven S Kistler theCollegeofthePacificinStockton California 最初以硅酸钠为原料 利用超临界流体干燥技术制成了最初的真正意义上的气凝胶 Kistler制成的气凝胶与今天的二氧化硅气凝胶非常相似 Kistler又制备了氧化铝 氧化钨 三氧化二铁 氧化锡 纤维素 硝酸纤维素 白明胶 琼脂 蛋白 橡胶等各类气凝胶 但受当时科研手段的限制 这种材料的研制并没有引起科学界的重视 上世纪七十年代 在法国政府的支持下 StanislausTeichner UniversiteClaudBernard Lyon 在寻找一种用于存储氧和火箭燃料的多孔材料的过程中 找到一种新的合成方法 即把溶胶 凝胶化学方法用于二氧化硅气凝胶的制备中 这种方法推动了气凝胶科学的发展 他用TMOS tetramethyorthosilicate 取代了Kistler用硅酸钠制备二氧化硅气凝胶的方法 即首先在甲醇中水解TMOS获得醇凝胶 这排除了Kistler制备中的水到乙醇的交换过程以及凝胶中无机盐存在的两个缺点 此后 气凝胶科学和技术得到了快速发展 1983年 ArlonHunt在Berkeley实验室发现可用更安全 更便宜的TEOS tetraethylorthosilicate 取代有毒的TMOS制备二氧化硅气凝胶 与此同时 微结构材料研究小组 TheMicrostructuredMaterialsGroup 发现可用具有更低临界温度和临界压力的二氧化碳超临界流体取代乙醇作为超临界干燥的流体 使得超临界干燥技术得以向实用化阶段迈进 八十年代后期 LarryHrubesh领导的研究者在LawrenceLivermoreNationalLaboratory LLNL 制备了世界上最轻的二氧化硅气凝胶 密度是3 55mg cm3 仅有空气的3倍 不久之后 RickPekala LLNL 制备了有机气凝胶 包括间苯二酚 甲醛气凝胶 resorcinol formaldehyde 三聚氰胺 甲醛 melamine formaldehyde 气凝胶 间苯二酚 甲醛气凝胶能够被热解得到纯碳气凝胶 该方法开创了气凝胶研究的新领域 进入九十年代以后 对于气凝胶领域的研究更为深入 据不完全统计 近年来在各类杂志上有关气凝胶的文章以达三千多篇 美国的Science杂志把气凝胶列为十大热门科学之一 当人们意识到气凝胶科学的重要行之后 从1985年起 JochenFricke教授在德国的Wurzburg组织了第一次气凝胶国际学术会议 随后 该会议先后在1988年 Montpellier France 1991年 Wurzburg 1994年 Berkeley California USA 1997年 Montpellier France 2000年 Albuquerque USA 2003年 WashingtonD C USA 召开 国内也早在上个世纪九十年代开始了关于气凝胶的研究 并且针对气凝胶的热特性展开了详细的研究 并申请了若干专利 但总的来说 由于气凝胶昂贵的制备成本 材料本身难以克服的低强度 高脆性等缺点成为制约其广泛应用的瓶颈 因此也成为今后各国科学家共同努力突破的关键 8 第二部分 气凝胶的性能与应用 9 气凝胶材料性能 SiO2气凝胶 一种具有独特的纳米多孔网络结构的轻质材料 可见 极低的折射率 热导率 介电常数 高比表面积 对气体的选择透过等 它的力学 声学 热学 光学 电学性质都明显地不同于普通固态材料 是一种具有许多奇异性质和广泛应用的轻质纳米多孔性材料 10 气凝胶产品可应用领域 11 热学领域 1 低固态热传导 纤细的纳米网络结构和极低的表观密度产生 长路径效应 2 低气体分子热传导和对流热传导 孔洞尺寸比常压下气体分子的平均自由程 60 70nm 小 3 低辐射热传导 气凝胶的热辐射传导主要为发生在3 5um区域内的红外热辐射 其在常温下能够有效的阻挡红外热辐射 12 热学领域 气凝胶产品属于高效防火隔热材料 主要功能是节能 保温 防火 可应用于以下领域 建筑节能领域 外墙保温专用气凝胶板材 气凝胶玻璃 钢结构防火 工业及民用领域 替代传统的保温材料对管道 炉窑及其他热工设备 热水器 冷藏设备等进行保温 隔热效果更好 特殊应用领域 用于海军核潜艇 飞机 大型海洋舰艇 船舶 客车的保温 在航天工业和军工导弹等方面都有广阔的应用前景 13 14 其他民用领域 化工工业 建筑工业 石油工业 运输工业 原油泄漏 航空航天 国防 热学领域 14 高速飞行产生大量热量 4马赫飞行达650 中 高超音速长时间飞行导弹 超音速巡航导弹 滑翔式战略机动导弹以及新型战术导弹等 对隔热材料提出新需求 轻质 低热导 耐高温 高温隔热层 外表面600 650 高温隔热层的封装面 航空航天领域应用 15 与传统隔热材料相比 SiO2气凝胶隔热材料可以用更轻的质量 更小的体积达到更好的隔热效果 这一特点在航空 航天应用领域具有极大的优势 在美国发射的火星探测器上 气凝胶被用作保温材料 来保证火星表面机器人的电子仪器设备的保温 航天航空器上理想的隔热层 英国 美洲豹 战斗机的机舱隔热层采用的是该材料 美国NASA在 火星流浪者 的设计中 也用过硅质气凝胶材料作为保温层 用来抵挡火星夜晚 100 以下的超低温 航空航天领域应用 16 航空航天领域应用 派宇航员登陆火星预定于2018年进行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AspenAerogel公司的一位资深科学家马克 克拉耶夫斯基认为 一层18毫米的气凝胶将足以保护宇航员抵御零下130度的低温 他说 它是我们所见过的最棒的绝热材料 17 工业领域应用 在石化行业 化工行业和冶金行业中 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 轮船 飞机等发动机 排气管的隔热 18 石化行业应用 19 石化行业保温应用 石油管道截面积比较 20 21 1 2 3 4 5 6 安装示意图 21 22 暖气管道保温应用 22 地下管道保温应用 23 汽车发动机保温应用 24 轮船发动机和排气管保温应用 25 2020 2 6 26 高速列车保温应用 27 储油罐保温应用 28 建材和民用领域应用 具有高度透光率并能有效阻止高温热辐射的SiO2气凝胶可以用作太阳能集热器及其它集热装置的保温隔热材料 大大提高其实用性 用热导率极低的掺杂SiO2气凝胶取代聚氨酯泡沫作为冰箱的隔热材料 还可以用作楼房建筑的保温 隔音等 29 29 因外墙保温材料引发的火灾事故现场 南京中环广场 上海教师公寓 济南奥体中心 央视新址 建筑节能领域 30 地板保温应用 31 外墙保温应用 32 气凝胶外墙安装示意图 33 34 房屋隔热效果对比 34 太阳能收集板上的应用 35 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 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 当太阳光透过气凝胶进入集热器内部 内部系统将太阳光的光能转化为热能 气凝胶又能有效阻止热量流失 35 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2001年 英国诺丁汉66岁的鲍勃 斯托克尔拥有了一套用气凝胶隔热的房子 他也因此成为拥有这种房子的第一位英国人 他说 保温效果大大改善了 我把自动调温器调低了5度 这真是一个不可思议的变化 2000年 一位英国登山者安妮 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 HugoBoss公司推出了一系列用这种材料制成的冬季夹克 但在消费者纷纷抱怨这种衣服太热之后不得不下架 日常生活应用 36 声学领域 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水声反声材料是指声波由水中入射到材料层上能无损耗地全部反射出去的材料 在潜艇上构成声纳设备声学系统的材料中 水声反声材料是非常重要的 它可以使声纳单方向工作 消除非探测方向来的假目标信号的干扰 同时隔离装备体自身噪声 提高声纳的信噪比和增益 特性阻抗与水的特性阻抗严重失配的材料可用作水声反声材料 常压下空气的密度和声速都远远小于水的密度和声速 空气的特性阻抗将比水小得多 与水阻抗失配严重 因此含有大量空气的材料可作为常压水中的反声材料 气凝胶高孔隙率且超轻质的特点使其成为最佳的水声反声材料 既具有良好的水声反声效果 又不增加潜艇的重量 37 光学领域 纯净的SiO2气凝胶是透明无色的 它的折射率 1 006 1 06 非常接近于空气的折射率 这意味着SiO2气凝胶对入射光几乎没有反射损失 能有效地透过太阳光 SiO2气凝胶可以被用来制作绝热降噪玻璃 利用不同密度的SiO2气凝胶膜对不同波长的光制备光耦合材料 可以得到高级的光增透膜 SiO2气凝胶的折射率和密度满足n 1 2 1 10 4r kg m3 当通过控制制备条件获得不同密度的SiO2气凝胶时 它的折射率可在1 008 1 4范围内变化 因此SiO2气凝胶可作为切仑科夫探测器中的介质材料 用来探测高能粒子的质量和能量 38 过滤与催化领域 超微粒子特定的表面结构有利于活性组分的分散 从而可以对许多催化过程产生显著的影响 气凝胶是一种由纳米粒子组成的固体材料 这种材料具有小粒径 高比表面积和低密度等特点 这些特点使气凝胶催化剂的活性和选择性均远远高于常规催化剂 而且活性组分可以非常均匀地分散于载体中 同时它还具有优良的热稳定性 可以有效的减少副反应发生 因此气凝胶作为催化剂 其活性 选择性和寿命都可以得到大幅度地提高 具有非常良好的催化特性 39 过滤与催化领域 部分氧化SiO2 Pt SiO2 Cr2O3 Fe2O3等催化乙醛氧化为乙酸 NiO Al2O3 NiO SiO Al2O3催化2甲基丙烷 丙烷 异丁烷氧化为丙酮 CuO Al2O3催化丁烷 1 丁烯氧化为呋喃等 过氧化TiO2 SiO2复合氧化物气凝胶是近年来发现的非常有效的烯烃过氧化催化剂 1 己烯 环己烯 降冰片烯等用TiO2 SiO2气凝胶催化氧化为相应的过氧化物 在催化环己烯醇的过氧化反应中 10min内环己烯的转化率达到90 硝基化PbO2 ZrO2 NiO Al2O3 NiO SiO2 NiO2 SiO2 NiO MgO Al2O3 PbO SiO2 NiO Fe2O3 Al2O3等气凝胶催化剂可以催化芳香族和脂肪族的碳氢化合物转化为相应的硝基化物 氢化Rh负载于TiO SiO2气凝胶上催化苯加氢为环己烷 Cu Al2O3气凝胶催化环戊二烯加氢为环戊烯 Ni SiO2气凝胶催化甲苯加氢为甲基环己烷 Pb Al2O3 Ni Al2O3 Ni SiO2 Al2O3气凝胶催化硝基苯加氢为苯胺 Cu ZrO2 Cu ZnO ZrO2 ZrO2 Cu Al2O3 Zn Al2O3 Cu ZnO Al2O3气凝胶等催化CO2加氢制甲醇等 Pajonk等研究了CuO Al2O3气凝胶催化环戊二烯选择加氢至环戊烯 选择性达到100 转化率是所研究催化剂中最高的 氧化Pd SnO2气凝胶催化剂具有良好的CO氧化活性 Pd TiO2 CeO2气凝胶催化剂在室温下可使CO被100 氧化 Pt ZrO2 CeO2气凝胶催化剂用于汽车尾气净化 CO NOX CH化合物的转化率都有明显提高 异构化Nb2O5 Nb2O5 SiO2 ZrO2 SiO2等气凝胶催化剂催化12丁烯转变为顺或反22丁烯 40 吸附领域 由于气凝胶由纳米颗粒骨架构成 具有高通透性的三维纳米网络结构 拥有很高的比表面积 600 1200m2 g 1 和孔隙率 高达90 以上 且孔洞又与外界相通 因此它具有非常良好的吸附特性 在气体过滤器 吸附介质方面有着很大的应用价值 对比疏水SiO2气凝胶 活性炭纤维以及活性炭颗粒对吸附介质为苯 甲苯 四氯化碳 乙醛的吸附性能测试结果 比较发现 SiO2气凝胶的吸附性能较活性炭纤维 ACF 和活性炭颗粒 GAC 更为优越 而且通过改性制备出的疏水SiO2气凝胶 可以避免亲水型活性炭在潮湿环境下吸附性能大幅降低这种缺陷 同时若将SiO2气凝胶进行第一次吸附脱附后 再次进行吸附研究 SiO2气凝胶可方便地经由热气流脱附 再吸附容量基本不变 这就为循环利用创造了有利的条件 41 捕获高速粒子 硅气凝胶是折射率可调的材料 使用不同密度的气凝胶介质作为切伦柯夫阀值探测器 可确定高能粒子的质量和能量 高速粒子很容易穿入多孔材料并逐步减速 实现 软着陆 如选用透明气凝胶在空间捕获高速粒子 可用肉眼或显微镜观察被阻挡 捕获的粒子 彗星离子速度极高 一般的材料很难捕捉得到 而硅气凝胶质量较轻 透明度较好 可升入太空准确确定这些高速粒子的位置 且其表面积大 热导率低对磁和紫外辐射的抵抗能力强 不受其它粒子的腐蚀 在太空中是不可替代的首选材料 目前在 开创火星 任务中使用的就是硅气凝胶 而且收集气凝胶颗粒可用于保护太空镜 星尘号探测器携带的气凝胶所捕捉到的彗星尘埃 42 NASA的彗星灰尘俘获器 装置了气凝胶 捕获高速粒子 43 电学领域 气凝胶具有低介电常数 1 e 2 而且可通过改变其密度调节介电常数值 随着微电子工业的迅速发展 对集成电路运算速度的要求越来越高 一般而言 所用衬底材料的介电常数越低 则运算速度越快 现在集成电路所用的衬底材料为Al2O3 其介电常数为10 目前的趋势是使用聚酰亚胺 e 3 或其它高聚物介电材料替代Al2O3 然而 高聚物的热膨胀系数较高 容易引起应力以及变形 气凝胶具有一些更优越的特性 其介电常数值很低且可以调节 其热膨胀系数与硅材料相近因此应力很小 而且相对聚酰亚胺它有良好的高温稳定性 因此如将集成电路所用的衬底材料改成气凝胶薄膜 其运算速度可提高3倍 44 分形特性 SiO2气凝胶具有由纳米颗粒组成的网络多孔结构 其密度的大小与标度尺寸有关 如果尺度足够长 大于关联长度x 气凝胶可认为是均匀的 此时其密度为常数 对应于宏观密度 如果分析尺度减小到小于气凝胶纳米颗粒尺寸a的范围 则得到的密度将等于骨架的密度 即致密SiO2的密度 远远大于宏观密度 若尺度在x与a之间 SiO2气凝胶的密度随标度尺度的增加而下