二氧化硅气凝胶综述

1、.二氧化硅气凝胶介绍所谓气凝胶(aerogels )，通常是纳米级的超微粒相互聚集构成纳米多孔质网络构造，是网的空洞充满气体分散媒的轻量纳米固体材料。 瓦斯气体凝胶是固体，但99%由瓦斯气体构成，从外面看像云一样。 因为气凝胶是半透明的色彩和超轻量的，所以也被称作“固体烟”或者“冻烟”。最常见的瓦斯气体凝胶是二氧化硅瓦斯气体凝胶。 SiO2瓦斯气体凝胶是一种绝热性能非常优异的轻量纳米多孔质非晶质体固体材料，具有空孔率高达80-99.8%，空孔的典型尺寸为1-100 nm，比表面积为200-1000 m2/g，密度低至3 kg/m3，室温导热率低至0的这些个特征，因此是一种瓦斯气体凝胶一、瓦斯气

2、体凝胶发展历史早在1931年，Steven.S.Kistler就开始研究瓦斯气体凝胶。 他最初采用的方法是用硅酸纳金属钍水溶液进行酸性浓缩，用超临界水再溶解二氧化硅，用乙醇交换微孔的水，然后利用超临界流体干燥技术制备出最初真正的气凝胶。 该材料的特点是透明、低密度、高孔隙率。 但是，受当时科研手段的限制，这种材料的研制并未引起科学界的重视。20世纪70年代，在法国政府的支持下，Stanislaus Teichner在寻找储藏氧气和火箭燃料的多孔材料过程中，将新的合成方法，即溶胶凝胶化学法应用于二氧化硅气凝胶的制造。 这个方法推动了瓦斯气体凝胶科学的发展。此后，瓦斯气体凝胶科学和技术得到了迅速的

3、发展。 1983年Arlon Hunt在Berkeley实验室发现了一种更安全、更便宜的二氧化硅气凝胶制造方法。 在云同步，精细结构材料研究工作团队发现，具有较低临界温度和临界压力的二氧化碳超临界流体可以代替乙醇作为超临界干燥流体，超临界干燥技术已经进入实用阶段。20世纪80年代后半期，Larry Hrubesh的研究者使用lawrencelivermorenationallaboratory (llnl )制造世界上最轻的二氧化硅气凝胶，密度为0.003 g/cm 3，只有空气的3倍。 不久，Rick Pekala(LLNL )制备了间苯二酚-甲醛瓦斯气体凝胶、清洁海绵-甲醛瓦斯气体凝胶等有

4、机瓦斯气体凝胶。 间苯二酚甲醛瓦斯气体凝胶经热裂化可得到纯碳瓦斯气体凝胶，该方法开辟了瓦斯气体凝胶研究的新领域。九十年代以来，对瓦斯气体凝胶领域的研究进一步深入。 据不完全统订，近年来各期关于瓦斯气体胶的文章达3000多篇。 美国的Science杂志把瓦斯气体凝胶列为10大人气科学之一。我国经济高等院校波耳固体物理研究所90年代初在国内首次开展了瓦斯气体凝胶研究，积累了较丰富的经验。 此外，中国科学院物理化学所、清华高等院校、山西煤化作用所、南京高等院校、中国科技高等院校、国防科学技术高等院校、北京化工大学、武汉高等院校、大连理工大学等最近也开展了气凝胶方面的研究。总之，瓦斯气体凝胶的昂贵制造

5、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，也是今后各国科学家合作突破的关键。二、瓦斯气体凝胶的性质1 .绝热性SiO2瓦斯气体凝胶材料具有极低的导热率，可达到0.013-0.016W/(mK )，低于静态空气(0.024W/(mK ) )的导热率，比对应的无机绝缘材料低2-3位数。 即使在800的高温下，热传导率也为0.043W/(mK )。 在高温下不会分解，也不会释放有害瓦斯气体，是环保材料。 SiO2硅瓦斯气体凝胶与各种耐热纤维复合，可以制成各种形式的保温材料。 广泛应用于工业、建筑、管道、汽车、宇宙航行等领域。2 .隔音性由于硅胶的低音速度特性，也是理想的音

6、响延迟和高温隔声材料。 该材料声阻抗可变范围宽(103-107 kg/m2s )，是理想的医学超声探头声阻抗耦合材料。初步实验结果表明，密度在300 kg/m3左右的硅瓦斯气体凝胶作为耦合材料，可使声强提高30 dB，采用具有密度梯度的硅瓦斯气体凝胶，可望获得更高的声强增益。3 .非线性光学特性为了在硅瓦斯气体凝胶的纳米网内形成量子点结构，在化学气相渗透法中添加了Si和溶液法中的C60，结果表明掺杂摇镜头以纳米晶粒的形式存在，观测到了强可见光发光，为多孔硅的量子限制效应发光提供了有势力的证据。 利用硅瓦斯气体凝胶的结构和C60的非线性光学效应，可以一头地研制新型激光防护镜。4 .过滤和催化剂的

7、性质纳米结构的瓦斯气体凝胶也可以作为新的瓦斯气体过滤烟嘴，但与其他材料不同，该材料是孔隙大小分布均匀、孔隙率高、效率高的瓦斯气体过滤烟嘴材料。这种材料用特别大的比例表堆积起来。 瓦斯气体凝胶作为新的催化剂和催化剂的载体也有广泛的应用前景。5 .折光率调整性硅气凝胶的折光率接近l，且红外与可见光的湮没系数比达到100以上，可以有效地透射太阳光中的可见光部分，阻隔其中的红外光部分，成为理想的透明绝热材料，应用于太阳能利用和建筑物的能源节约。三、瓦斯气体凝胶的用途(一)工业领域在石油、化工和冶金行业中，管道、炉窑及其他热工设备普遍存在，用SiO2瓦斯气体凝胶及其复合材料代替传统保温材料进行保温，可以

8、大幅减少热能损失，提高热能利用率。 也可作为液体天燃气罐和储油箱等汽车、航空器等发动机和排气管的绝热材料使用。(2)民生领域导热率极低的掺杂SiO2的瓦斯气体凝胶可用作冰箱的绝热材料，也可用于大楼建筑的保温、隔声材料等。 常用的建筑保温材料多为聚丙乙烯、聚氨酯材料等高分子发泡材料，材料尺寸大，给施工和后期稳定性带来诸多问题，而且高分子保温材料容易燃烧，容易引起火灾。 SiO2瓦斯气体凝胶耐高温，一般为800，结构、性能无明显变化，是安全、节能、环保的超绝热材料。气凝胶也进入了我们的日常生活。 运动器材公司Dunlop开发了用气凝胶增强的一系列壁球和网球拍，据说这个球拍可以释放更大的力量。登山者

9、也开始从气凝胶中受益。 2000年，英国登山运动家安帕曼特尔穿着气凝胶鞋垫登上珠穆朗玛峰。 睡袋里也放了这个材料。 她说“我唯一的问题是脚丫子很热，对登山者来说是个大问题”(3)太阳能集热器具有高透光率和低导热率的气凝胶对入射光几乎没有反射损失，能有效地透过太阳光，气凝胶能有效地阻止热的流失。 因此，瓦斯气体凝胶特别适合作为太阳能集热器及其集热装置的保温绝热材料。 将瓦斯气体凝胶绝热材料应用于热水器的水箱、管道和集热器，比传统太阳能热水器的集热效率提高了1倍以上，热损失降低到传统水平的30%以下。(三)航空航天领域瓦斯气体凝胶超绝热材料质量绝热热效应好，在航空航天应用领域有很好的应用前景。 由

10、美国NASA Ames研究中心研制的硅酸铝耐火纤维/SiO2瓦斯气体凝胶复合隔热瓦已经被用于航天飞机，露西亚的“和平号”空间站也采用了SiO2瓦斯气体凝胶作为隔热保温材料。 瓦斯气体胶被用于研制人类首次登陆火星时穿着的宇宙服的保温隔热衬里。 Aspen Aerogel公司的老资格科学家麦克拉耶夫牛鼻子认为，使用18毫米的瓦斯气体凝胶，可以在零下130度的低温中保护航天员。 “这是我们见过的最好的绝热材料。瓦斯气体凝胶也被用于收集彗星的微粒子。 它就像一个非常柔软的棒球手套，能轻轻降低彗星的星尘速度，在距离是自各儿长度的200倍的距离上滑行，然后慢慢停止。 进入“气凝胶手套”，星尘会留下胡萝卜状

11、的轨迹，气凝胶几乎是透明的，科学家能够沿着轨迹简单地找到这些个的微粒子。(4)军需产业防弹衣是新型瓦斯气体凝胶的另一重要用途。 美国航空航天局这家公司正在测试用瓦斯气体胶制作的地址和军车。 据试验室的试验状况，在金属片上放入厚度约为6毫米的瓦斯气体凝胶，用烈性炸药直接吹飞也不会损坏金属片。(5)过滤和在催化剂中的应用在环境保护和化工行业中，纳米结构的瓦斯气体凝胶也可以作为新型瓦斯气体过滤烟嘴. 与其他材料不同，该材料是孔隙大小分布均匀、孔隙率高、效率高的瓦斯气体过滤烟嘴材料。 瓦斯气体凝胶也可以作为CO2瓦斯气体的吸附、苯等化学有毒瓦斯气体的吸附、烈性炸药废水的吸附等吸附材料使用。这种材料用特

12、别大的比例表堆积起来。 瓦斯气体凝胶作为新的催化剂和催化剂的载体也有广泛的应用前景。(六)在其他方面的应用SiO2瓦斯气体凝胶具有极高的比表面积和孔隙率，近年来广泛应用于Cerenkov检测器，检测出了高能粒子电荷。 SiO2瓦斯气体凝胶在等离子体研究中有时也作为惯性限制熔融试验体的目标成分使用。由于轻原子量元素体组成的低密度、细孔分布均匀的SiO2瓦斯气体凝胶对氖有良好的吸附性能，为惯性约束融合实验开发高增益营销对象提供了新途径，这对控制热核聚变反应获得廉价清洁的能量有重要意义.五、研究机构和生产企业研究机构目前，国际上对瓦斯气体凝胶材料的研究主要集中在德意志维尔茨堡高等院校、BASF公司、美国劳伦斯树莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室、法国蒙彼利埃材料研究中心、日本高能物理国家实验室、美国斯宾塞公司、BASF等。国内主要集中在同济高等院校波尔固体物理实验室、国防科学技术高等院校、绍兴纳诺高科、英德耶力生、山东科技高等院校、北京牌科技高等院校等。六、市场需求和展望SiO2瓦斯气体凝胶具有独特的介电质结构和性能，应用领域广泛。 因为具有优异的隔热性能，作为超保温材料可以在各个领域使用。2008年，世界保温隔热材料需求达到100亿平方米，2011年达到202亿平方米。 2014年的需求预计将达到230亿平方米。 中国保温材料需求约占世界份额的29%，其中外墙保温材料需求