二氧化硅气凝胶综述

二氧化硅气凝胶简介气凝胶（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”或“冻住的烟”。最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1-100 nm，比表面积为200-1000 m2/g，而密度可低达3 kg/m3，室温导热系数可低达0.012 W/（mk）。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、气凝胶发展历史早在1931年，Steven.S.Kistler就开始研究气凝胶。他最初采用的方法是用硅酸钠水溶液进行酸性浓缩，用超临界水再溶解二氧化硅，用乙醇交换孔隙中的水后，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。这种材料的特点是透明、低密度、高孔隙率。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，Stanislaus Teichner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。 此后，气凝胶科学和技术得到了快速发展。1983年Arlon Hunt 在Berkeley 实验室发现可用更安全、更廉价的二氧化硅气凝胶制作方法。与此同时，微结构材料研究小组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，Larry Hrubesh 领导的研究者在Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) 制备了世界上最轻的二氧化硅气凝胶，密度是0.003 g/cm 3，仅有空气的3倍。不久之后，Rick Pekala(LLNL) 制备了有机气凝胶，包括间苯二酚-甲醛气凝胶、三聚氰胺-甲醛气凝胶。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。我国同济大学波耳固体物理研究所于90年代初在国内率先开展了气凝胶的研究工作，积累了较为丰富的经验。此外，中科院物理与化学所、清华大学、山西煤化所、南京大学、中国科学技术大学、国防科技大学、北京化工大学、武汉大学、大连理工大学等也于近期开展了气凝胶方面的研究工作。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。二、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/(mK),低于静态空气（0.024W/(mK)）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/(mK)。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(103-107 kg/m2s)，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300 kg/m3左右的硅气凝胶作为耦合材料，能使声强提高30 dB，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，是一种高效气体过滤材料。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l，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。三、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NASA Ames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。Aspen Aerogel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。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，是一种高效气体过滤材料。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、研究机构和生产企业研究机构目前国际上关于气凝胶材料的研究工作主要集中在德国的维尔茨堡大学、BASF公司、美国的劳伦兹利物莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室，法国的蒙彼利埃材料研究中心，日本高能物理国家实验室，美国阿斯潘公司，美国宇航局等。国内主要集中在在同济大学波尔固体物理实验室、国防科技大学、绍兴纳诺高科、英德埃力生、山东科技大学、北京科技大学等。六、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。2008年，全球保温隔热材料需求100亿平米，2011年达到202亿平米。预计2014年需求将达到230亿平米。中国保温材料需求占全球份额的约29%，其中外墙保温材料需求较大，“十二