材料与文明结课论文轻质材料

材料与文明结课论文轻质材料材料与文明结课论文轻质材料 重庆理工大学材料与文明结课论文院系XXXXXXXXXXX班级XXXXXXXXX 学号XXXXXXXXXXX姓名X X X指导教师XX标题轻质材料 气凝胶 碳海绵 一 摘要 1 选题目的目前 全球的石油开采正由路上转到海上 由此引起的一些石油污染将会不断波及人类海上渔业的发展 以 及海上石油运输的过程导致的原油泄漏事件不断发生 世界各国都 在不断的研发各种预防措施 致使而xx年的材料发展我想浙江大学 高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶 它刷新了目前世界上最轻材料的纪录 弹性和吸油能力令人惊喜 在新的发展机遇的大好形势下 我国应加快和推进 碳海绵 的产 业化进程的速度加快了 也为我国的经济发展做出重大贡献 2 背景介绍碳海绵 这一特性可用来处理海上原油泄漏事件 把碳 海绵 撒在海面上 就能把漏油迅速吸进来 因为有弹性 吸进的油 又挤出来回收 碳海绵也可以重新使用 另外 碳海绵 还可能成为 理想的储能保温材料 催化剂载体及高效复合材料 减少社会风险 的重要因素 它们推进人类对于自然的新认识 拓展人类的生存能 力与发展空间打造人类对于这个世界新的概念与价值观念 二 正文 气凝胶的简介 1 定义石墨烯制造出了气凝胶 碳海绵 碳海绵 每立方厘米重0 16毫克 比氦气还要轻 约是同体积大小氢 气重量的两倍 它的内部有很多孔隙 充满空气 2 碳海绵主要产品及应用与传统的无机气凝胶 如硅气凝胶 相比 炭气凝胶具有许多优异的性能和更加广阔的应用前景 炭气凝胶具有导电性好 比表面积大 密度变化范围广等特点 是 制备双电层电容器理想的电极材料 炭气凝胶是唯一具有导电性的气凝胶 可用于超级电容器的电扳材 料 有机气凝胶及炭气凝胶具有生物机体相容性 使得其可用于制造人 造生物组织 人造器官及器官组件 医用诊断剂及胃肠外给药体系 的药物载体 由于炭气凝胶的组成元素 碳 原子序数低 因而用于Cerenkov探测 器时优于硅气凝胶材料 自从80年代末R W Pekala首次合成出RF resorcinol formaldehyde 有机气凝胶并由其炭化得到炭气凝胶以来 这一领 域的研究几乎被其所在的美国Lawrence Livermore国家实验室所垄断 直到xx年3月我国才制作出并且打破 美国的最轻型材料的记录 碳海绵的性能和研究现状基础研究方面 气凝胶是研究分形结构 动力学的最佳材料 散射实验表明 绝大多数气凝胶材料具有典型的分形结构 它们由 尺度为a 约为1nm 的凝胶粒子相互堆积 交联形成无规三维网络 状结构 这些网络具有自相似结构 自相似结构持续到尺度 约 为100nm 在 尺度上 材料可看成是连续且均匀的 在不同的尺度范围内 以 和a为界 存在三个色散关系明显不同的 激发区域 分别对应声子 分形子和粒子模的激发 要在不同试验上来检测分性子的色散关系以及不同振动区的渡越行 为 就需要能够制备一系列分维数D相同而宏观密度 不同的试样 而且其结构又是交互自相似的 由于气凝胶的结构可控性 通过控制凝胶过程中的各种影响因素以 及超临界干燥工艺 是可以制备出符合要求的样品系列来的 机械性能方面 气凝胶的杨氏模量Y 压缩强度以及声传播速率C与 其宏观密度 之间关系都满足标度定律 可分别表示如下C k n Y k m 其中标度参量n m均与气凝胶的制备条件密切相关 气凝胶的杨氏模量为106N m2数量级 比相应玻璃态材料低4个数量 级 其纵向声速可达100m s量级 此外 声传播的另一个奇特的性质氏其弹性常数会随外界压力的增 加而减小 气凝胶的声阻抗Z C 可变范围很大 进而可以通过控制 的变化 来制备成不同声阻抗Z的材料 从而 气凝胶是一种声阻抗耦合材料 热学性能方面 气凝胶具有优异的隔热属性 气凝胶的热传导由气态传导 固态传导和辐射传导组成 由于气凝 胶独特的纳米多孔三维网络状结构 使得在常压下材料孔隙内的气 体对热传导的贡献极低 即使在抽取完气凝胶内的气体后 低密度 高空隙率的气凝胶限制 了局域激发的传播 使得固态传导和辐射传导也降低 气凝胶的固态传导率比相应的玻璃态材料低2 3个数量级 气凝胶的热辐射传输主要由红外吸收决定 这种材料对低温物体的 贯穿辐射主要集中在3 5 m范围内 如果在气凝胶制备的溶胶 凝胶过程中中加入例如碳黑 TiO2等遮 光剂 则会显著地增加红外湮灭系数 使得在常温常压下 粉末气 凝胶和块状气凝胶的热导率都将降低 如果对其进行抽真空处理 则其总热导率将会将至更低的水平 这也是目前粉体和块体材料的 最低值 另外无机气凝胶能耐高温 在800 以下 结构和性能无明显变化 如Al2O3气凝胶则可耐2000 的高温 在作为高温隔热材料方面 有 着无比的优越性 电学性能方面 气凝胶的介电常数 与质量密度 之间有近似的线 性关系 如MF气凝胶 1 1 83 10 3 RF气凝胶有 1 1 75 10 3 由于其气凝胶的介电常数特别小 因此有可能被用于高速计算的大 规模集成电路的衬底材料 在将有机气凝胶炭化后制备成的炭气凝胶除了其多孔性及巨大的比 表面积外 还具有到电性 其电导率 一般在10 40s cm 因此可以用来制造高效高能底可充电电池 光学性能方面 许多气凝胶能制成透明或半透明材料 如硅气凝胶 在波长630nm处湮灭系数e 0 1m2 kg 同时由于其密度极低 可以 使得光在这个波长范围内的平均自由程很小 从而透明度很好 由于组成气凝胶的骨架结构一般都是由在1 100nm的单元组成 故对蓝光和紫外光有较强的散射 例如硅气凝胶的折射率接近1 同时对红外和可见光的湮灭系数之比 高达100以上 使得其能在让太阳光有效通过的同时 还阻止环境温 度的红外辐射 从而成为一种理想的透明绝热材料 催化剂及其载体方面 气凝胶具有高比表面积 高孔隙率 低密度 且具有良好的稳定性 是催化剂及其载体的最佳材料之一 有机气凝胶具有高的比表面积 高的孔隙率及低密度 也可作为催 化剂及其载体 同时有机气凝胶有强吸附性能 其在气体过滤器 污水处理方面有很大应用价值 激光直接驱动惯性约束靶方面 众所周知受控热核聚变反应所释放 的反应能是廉价 清洁 安全的理想能源 而惯性约束聚变 ICF 是实现受控热核聚变的重要途径之一 它利用高功率激光束直接或 间接作用在聚变靶丸上 使靶丸内的D T燃料迅速被压缩至高温 高密度 最终在惯性约束时间内完成聚变 反应 理论与实验均表明 利用多孔低密度材料吸附D T液体 有利于节约驱动能 提高聚变产额 气凝胶的纳米级网络状 结构和高比表面积以及结构可控等特点使得其可能成为新型低密度 靶的最佳材料 利用在溶胶 凝胶过程掺入高Z元素的方法制备的二 元或多元复合气凝胶材料 可用于ICF诊断实验 气凝胶除了科学实验中有广泛的应用外 在商业上也有较多应用 如在高能物理上用作Cerenkov探测器 在宇宙尘埃探测中用作粒子 捕获器等 同时在以气凝胶这一材料为基础之上 大批的复合材料也应运而生 倪星元等人制备了由SiO2气凝胶 聚酰亚胺和镀铝层 SiO2 PI Al 组成的柔性多层薄膜 在其具有良好的保温隔热特性的同时 材料 的柔性也在一定程度上增加保温隔热材料的应用范围 除此之外 气凝胶在太阳能 原子能等新能源的开发 信息产业及 环保方面等也有广泛的应用 纳米结构的气凝胶还可用作新型气体过滤器 与其它材料不同的是 该材料孔洞大小分布均匀 孔隙率高 是一种高效气体过滤材料 在医学领域 气凝胶适用于药物控制释放体系 气凝胶的用途远不止上述这些 它必将随着人们研究的深入而不断 开拓出新的应用领域 对于我国现状应如何应对气凝胶发展前景目前世界上生产Si02气凝 胶的主要厂家有美国的W R Grace Aspen公司 英国的Crosfield 公司 日本的Fuji Silysia公司等 其中美国W R Grace公司的 产量约占世界总产量的一半 一直处于世界的垄断地位 美国的Nanopore公司 Aeroget公司以及德国的BASF公司 DESY公司 Hoechst公司也在开展气凝胶的商业应用研究 全世界Si02气凝胶的产量每年约30万吨左右 据统计 在全球的用 量中 欧洲占50 美洲占20 亚洲及太平洋地区占30 并呈 逐渐扩大的趋势 我国的Si02气凝胶生产目前仍处于研发阶段 也有几个利用溶胶凝 胶法生产Si02气凝胶粉末的厂家 如山西天一纳米材料科技有限公 司 绍兴纳诺高科有限公司 长沙蜂巢颜料化工有限公司 广州市 人民化工厂 但其生产规模均很小 由于国内生产能力的限制 Si02气凝胶产品的进口价格非常高 最 高可达15万元每吨 目前在国内Si02气凝胶主要用于以下方面用Si02气凝胶做为涂料的 消光剂 它具有较高的消光效率和透明度 易分散 漆膜表面光滑 且在涂料储存过程中不产生硬沉淀 不影响涂膜的性能 备受涂料 制造商的欢迎 用Si02气凝胶做彩喷纸吸墨涂层 图像色彩鲜艳 清晰度高 打印 油墨渗透 扩散小 涂布量低 用Si02气凝胶做纸张上胶剂 纸张白度 不透明度提高 印刷性能 耐磨性和手感性均提高 我国目前每年用于纸张的Si02气凝胶约1 0000吨左右 大部分依赖进口 由于Si02气凝胶比表面积大 吸附性强 并且稳定性好 作为医药 的助剂 起到速溶 加快药效的作用 我国每年需求量约在5000吨 左右 Si02气凝胶作为食品添加剂已经得到了广泛地应用 我国每年用于 食品行业的Si02气凝胶约15000吨 主要依赖进口 Si02气凝胶作为催化剂载体 国内每年进口约1000吨 Si02气凝胶