【《气凝胶的研究现状国内外文献综述》3600字】

气凝胶的研究现状国内外文献综述1.1气凝胶的发展气凝胶由于其高度多孔的结构而被认为是“21世纪的奇迹材料”，其连接的颗粒网络类似于珍珠项链，空气体积为80-99.8％。这种独特的布局赋予气凝胶最轻的固体材料，最佳绝缘性能的地位。这种新一代材料的其他重要属性是其高比表面积（100-1600m2·g-1）和极低的折射率（1.007-1.240）。气凝胶的用途包括有害物质的吸附剂[47]，传感器[48]，过滤介质[49]，切伦科夫探测器[50]，载体[51]，萃取剂[52]。毫无疑问，绝热和隔热是气凝胶最重要的应用，已有大量和详细的研究。尽管纳米级孔隙率具有独特的性能，但由于其固有的脆性使加工和处理变得困难，因此在日常应用中气凝胶的使用受到了限制。为了扩大材料适用范围，还需要克服其他固有的缺点，例如灰尘释放，亲水性，体积收缩，加工时间以及高昂成本（比聚氨酯泡沫高8至20倍）。硅基气凝胶是最早发展并应用的一类气凝胶，二氧化硅气凝胶具有超低密度、超高纳米孔隙率的三维纳米网状结构，使其导热系数低于“无对流空气”[53,54]，因此被研究者认为是最有发展潜力的隔热保温材料。二氧化硅气凝胶可以整体，颗粒或粉末形式使用，而整体二氧化硅气凝胶是最有前途的潜在应用中使用最广泛的形式[55]。在大多数情况下，二氧化硅气凝胶在溶剂的超临界条件下干燥，以保持气凝胶结构的完整性。超临界干燥过程涉及复杂的过程，这既费时又费钱。为了方便地制造和广泛使用二氧化硅气凝胶，有必要克服超临界干燥方法的高制造成本。在1995年，Brinker开发的环境压力干燥（APD）工艺既便宜又安全，引起了经济大规模生产和广泛应用的广泛关注[56]。历经近百年研究和发展，二氧化硅气凝胶成熟的制备技术，简单的工艺流程使得其广泛应用于各个领域[57-60]。二氧化硅气凝胶在建筑领域的应用可使得节能效果实现数量级上的提高，因此日益展现出巨大优势和前景。1.2SiO2气凝胶的制备气凝胶的制备过程主要分为三步：（1）通过溶胶-凝胶过程制得湿凝胶；（2）通过老化、改性等操作强化网络结构；（3）通过一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态从而制得气凝胶。溶胶-凝胶过程是制备气凝胶最核心的步骤，它通常是指前驱体分散在溶液中，在催化剂的作用下进行水解形成胶体分散液，改变液体的PH值后，整个溶液脱水缩聚形成固体颗粒网络，获得湿凝胶块。通过改变前驱体种类，配比、水解时间、催化剂浓度、溶胶凝胶体系的温度及PH等反应参数，可实现对凝胶骨架微观结构的调控，从而得到所需的气凝胶结构[61]。为了增强气凝胶网络结构，通常在完成凝胶后还需要额外的老化和改性步骤，不同的气凝胶所需的老化液、改性液以及置换时间都有所差异。材料的结构往往决定材料所具有的功能，因而通过调节溶胶凝胶参数、老化液、改性液组成可制得具有特定功能的气凝胶。气凝胶也因此被认为是一种结构可控的材料[62]。溶胶-凝胶干燥工艺的最终目标取决于通过维持凝胶网络从基质中去除溶剂，从而产生体积和形状不变的多孔固体。在干燥期间，有两个主要因素影响凝胶的固体多孔结构的形状。第一个与网状结构几乎不可避免的部分塌陷有关，因为即使凝胶体内部的最小收缩也会造成压力梯度，从而导致裂缝。第二，整个网络中的孔隙尺寸是不同的，具有不同半径的相邻孔隙显示出不同的弯液面退缩率（在较大的孔隙中更快）。不同尺寸孔壁承受不均匀的应力水平，不平衡的力而趋于破裂[63]。气凝胶的干燥技术包括超临界干燥、冷冻干燥和常压干燥等。凝胶的干燥决定了孔隙尺寸和它们的整体结构特性，因此干燥方法的选择至关重要。SCD是制备低密度气凝胶的理想方法。该技术包括在超临界条件下去除孔隙中的溶剂，以避免毛细管压力，液-气界面被抑制。因此，SCD条件下硅基气凝胶尺寸的变化主要源于老化阶段[64]。在SCD方法中，可以通过两种不同的方法除去溶剂：（i）高温超临界干燥，其中合成溶剂的排放超过其临界点；（ii）低温超临界干燥，其中合成溶剂与合适的可溶溶剂体系交换，通常是超临界CO2交换[65]。由于CO2具有温和的临界点（31.1℃和73.9bar），可用于孔中交换或溶解合成溶剂，从而使SCD在低温下进行。因此，在没有毛细管压力的情况下，SCD的主要优点得以保留，也提供了干燥有机-无机基质而不发生降解的可能性。冷冻干燥是在减压和低温下，可通过冻干将溶剂排空，从而避免液相弯液面应力。通过使用液氮快速冷冻溶剂，然后在真空下升华，可以避免骨架的收缩，从而获得高度多孔的气凝胶。该方法通常用于干燥水凝胶，因为与常规有机溶剂相比，水的固化更容易获得[66]。冻干循环包括三个步骤：（a）将溶剂（孔内）的温度降低到其三相点以下；（b）抽空系统直至真空；（c）在等压条件下的受控升华。该过程会出现冷冻和升华速率不同的微区，易于在样品内形成微晶盐结构。与SCD的情况相比，孔径趋于增大。在常压下蒸发是从多孔材料中去除溶剂的最简易方法，是将温度升高至溶剂的沸点以上并将其转化为气体，这是APD的基本原理[67]。体系中的溶剂以三种状态共存：液体填充孔隙、液气过渡相和气相。孔隙中的弯液面后退诱导高毛细压力，在纳米孔内达到数百个气压，并导致结构开裂。当干燥过程中的毛细管压力超过固体结构的弹性极限时，通常会出现整体形状的损失，产生粒状气凝胶[68]。实际上，APD通常会生成收缩的干凝胶，可以是颗粒状的，也可以是浸渍的复合材料。与凝胶的尺寸相比，干凝胶的体积减少了5-10倍。Torres等人[69]研究了多种硅烷化剂对APD气凝胶的体积密度、体积收缩率和线性收缩率以及热导率的影响。结果发现，所选的甲硅烷基化剂六甲基二硅氮烷（HMDZ），三甲基甲氧基硅烷（TMMS）、三甲基乙氧基硅烷（TMES）和三甲基氯硅烷（TMCS）的体积收缩率比较低（低于35wt%），而六甲基二硅氧烷（HMDSO）、甲基三甲氧基硅烷（MTMS）的体积收缩率均高于50wt%，导致制备的气凝胶为白色的。1.3SiO2气凝胶复合材料增强的方法为了防止由于毛细管压力产生的应力而导致不可逆的致密化或部分塌陷，制备APD气凝胶需要特殊的工艺，包括化学表面改性和骨架强化[70]。反应性基团在网络表面的缩合，主要是Si-OH，导致逐渐收缩，和随后的致密化。这些反应可通过表面处理加以阻止，所述表面处理使用具有不可水解Si-R烷基的反应性烷基硅烷化合物进行，例如HMDZ或HMDSO。直接连接到硅原子的疏水部分（例如甲基）的浓度增加，可能导致可逆收缩，即所谓的回弹效应[71]。它由凝胶网络的机械膨胀组成，几乎可恢复到其原始体积。该现象发生在干燥的最后阶段，当多孔结构能够承受干燥负荷时，并且反弹作用是由疏水性官能团的排斥驱动的。使用具有疏水特性的前体，例如带有不可水解甲基的甲基三甲氧基硅烷（MTMS），也可防止凝胶在干燥过程中的崩塌，并赋予基质更高的活性。杂化，是在二氧化硅主链中接枝聚合物，是另一种防止收缩的气凝胶增强技术，包括通过添加单体（如丙烯酸酯和氰酸盐）交联网络，从而增加气凝胶的弹性或机械强度[72]。然而，由于有效质量的加入，交联凝胶往往具有低孔隙率、高密度材料的缺点、表面积减小以及热导率损失是不可避免的趋势。另一种策略是在硅胶合成初期加入干燥控制化学添加剂，例如甘油，甲酰胺，二甲基甲酰胺或四甲基氢氧化铵，其功能是促进孔径尺寸的均匀性，从而使应力不对称最小化[73]。最后，纤维增强被认为是增强硅基气凝胶最为简易有效的方法，尽管在蒸发干燥过程中发生了不可避免的断裂（微观和宏观层面的断裂），但由于纤维的存在起到骨架支撑作用，可有效阻止部分气凝胶的坍塌，保留气凝胶整体形状。因此用纤维增强法制备的复合气凝胶具有比表面积大、孔隙率高、易粉化、抗压强度和杨氏模量相对较小等特点。参考文献：SaintAkadiriS,AlolaAA,AkadiriAC,etal.RenewableenergyconsumptioninEU-28countries:Policytowardpollutionmitigationandeconomicsustainability[J].EnergyPolicy,2019,132:803-810.郭成州，黎锦清．太阳能热利用储能材料的研究[J]．国外建材科技，2007，(05)：18-22.CaoDL,HongG,LeAT.Applyingchemicalheatstoragetosavingexhaustgasenergyindieselengines:Principle,designandexperiment[J].JournalofEnergyStorage,2020,28:8.MaruyamaA,Kurosawa,RyuJ.EffectofLithiumCompoundAdditionontheDehydrationandHydrationofCalciumHydroxideasaChemicalHeatStorageMaterial[J].ACSOmega,2020,5:9820-9829.NallusamyN,VelrajR.NumericalandExperimentalInvestigationonaCombinedSensibleandLatentHeatStorageUnitIntegratedWithSolarWaterHeatingSystem[J].JournalofSolarEnergyEngineering-TransactionsoftheASME,2009,131:8.RiahiS,JovetY,SamanWY,etal.Sensibleandlatentheatenergystoragesystemsforconcentratedsolarpowerplants,exergyefficiencycomparison[J].SolarEnergy,2019,180:104-115.ZieglerB,MosieznyJ,CzyzewskiP.UnsteadyCHTanalysisofasolidstate,sensibleheatstorageforPHESsystem[J].InternationalJournalofNumericalMethodsforHeat&FluidFlowing,2019,30:3199-3209.JagannathK,DineshaP.PerformanceComparisonofPhaseChangeMaterialsforThermalEnergyStorage[J].MaterialsScienceForum,2017,4641:231-236.NordineK.Solarthermalenergystorageusinglatentheat:dischargingenergyfromphasechangematerial[J].GaziUniversityJournalofSciencePartA:EngineeringandInnovation,2017:37-45.KarimG.LatentHeatStorage:StorageMaterials,HeatTransfer,andApplications[J].ChemBioEngReviews,2017,4(4):215-224.张向倩．相变储能材料的研究进展与应用[J]．现代化工，2019，39(04)：67-70．MalekiH,DurãesL,PortugalA.Anewtrendfordevelopmentofmechanicallyrobusthybridsilicaaerogels[J].MaterialsLetters,2016,179:206-209.CaraballoA.MoltenSaltsforSensibleThermalEnergyStorage:AReviewandanEnergyPerformanceAnalysis[J].Energies,2021,14(4):1197-1197.张新星．无机水合盐复合相变储能材料的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