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“气凝胶”神奇,但不神秘

  • 分类:气凝胶
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  • 发布时间:2021-12-15 10:23
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【概要描述】气凝胶是一种用气体代替凝胶中的液体而本质上不改变凝胶本身的网络结构或体积的特殊凝胶,它具有纳米级多孔结构和高孔隙等特点,是目前所知密度最小的固体材料之一。

“气凝胶”神奇,但不神秘

【概要描述】气凝胶是一种用气体代替凝胶中的液体而本质上不改变凝胶本身的网络结构或体积的特殊凝胶,它具有纳米级多孔结构和高孔隙等特点,是目前所知密度最小的固体材料之一。

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什么是气凝胶

气凝胶是一种用气体代替凝胶中的液体而本质上不改变凝胶本身的网络结构或体积的特殊凝胶,它具有纳米级多孔结构和高孔隙等特点,是目前所知密度最小的固体材料之一。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”。气凝胶(aerogels)与干凝胶(xerogels)并非同一概念,湿凝胶经过超临界干燥得到的是气凝胶,经过常压干燥得到的是干凝胶。严格讲,气凝胶应是块状结构,而干凝胶一般是粉体或者颗粒。   

由于其制备过程繁琐冗长,价格昂贵易脆等缺点,很长一段时间没有引起业界关注。直到超临界干燥法问世,气凝胶才引起研究者的注意。超临界干燥法可以快速、批量生产出精确尺寸、任意形状及结构完整的气凝胶材料。这种新材料看似脆弱不堪,其实非常坚固耐用,不同成份的气凝胶可以承受不同的温度,常见的氧化硅气凝胶可以在绝对零度到650℃的范围内使用,有些类型的气凝胶最高能承受1400℃的高温。令人欣慰的是,不同于其他新材料,我国的气凝胶材料产业化水平几乎与世界同步,并且呈现出良好的赶超态势。我国首家商业化气凝胶公司成立于2004年。

气凝胶根据成分可分为三类:无机气凝胶、有机气凝胶和复合气凝胶三类。最典型的研究最多的气凝胶是单组份的SiO2气凝胶和碳气凝胶(有机气凝胶)。  

 

气凝胶的特点

1.孔隙率很高,可高达99.8%;科学家们表示,因为它有数百万小孔和皱摺,所以如果把1立方厘米的气凝胶拆开,它会填满一个有足球场那么大的地方。它的小孔不仅能像一块海绵一样吸附污染物,还能充当气穴。研究人员认为,一些形式的由铂金制成的气凝胶能用于加速水解及氢的产生。这样的话,气凝胶就能用来生产以氢为基础的燃料。

2.纳米级别孔洞和三维纳米骨架颗;   

3.高比表面积;   

4.低密度;   

5.气凝胶独特的结构决定了其具有极低的热导率,常温下可以低至0.013W/(m·K),比空气的导热系数还低。   

 

气凝胶应用

一、超级绝热材料 

材料的热传导由气态传导、固态传导和热辐射传导决定。由于气凝胶材料具有纳米多孔结构,因此常压下气态热导率λg很小,真空下热传导由固态传导和热辐射传导决定。同玻璃态材料相比,纳米多孔材料由于高孔隙限制了稀疏骨架中链的局部激发的传播,使得固态热导率λs仅为非多孔玻璃态材料热导率的1/500左右。是目前隔热性能最好的固态材料。

1.太阳能热水器。太阳能热水器及其他集热装置的高效保温成了能否进一步提高太阳能装置的能源利用率和进一步提高其实用性的关键因素。将纳米孔超级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。

2.在热电池上应用。可延长热电池的工作寿命,防止生成的热影响热电池周围的元器件。

3.军事及航天领域。与传统绝热材料相比,纳米孔气凝胶超级绝热材料可以用更轻的质量、更小的体积达到等效的隔热效果。这一特点使其在航空、航天应用领域具有举足轻重的优势。如果用作航空发动机的隔热材料,既起到了极好的隔热作用,又减轻了发动机的重量。作为外太空探险工具和交通工具上的超级绝热材料也有很好的应用前景。凝胶在航天中的应用远不止这些,美国国家宇航局的“星尘”号空间探测器已经带着它在太空中完成了一项十分重要的使命———收集彗星微粒。   

4.工业及建筑绝热领域。在工业及民用领域纳米孔超级绝热材料有着广泛和极具潜力的应用价值。首先,在电力、石化、化工、冶金、建材行业以及其他工业领域,热工设备普遍存在。工业节能中,纳米孔超级绝热材料也起着非常重要的作用,其中有些特殊的部位和环境,由于受重量、体积或空间的限制,急需高效的超级绝热材料。

二、在催化剂以及催化载体方面的应用  

气凝胶是一种由超微粒子组成的固体材料,具有小粒径、高比表面积和低密度等特点,使SiO2气凝胶催化剂的活性和选择性远远高于常规催化剂,而且它还可以有效减少副反应的发生。但因小的热导率和低的渗透性影响了气凝胶在催化反应中的传热和传质,使其应用受到限制。

三、气凝胶在日常生活中的应用

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,这种球拍能释放更大的力量。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。” 登山者也开始从气凝胶中受益。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。

四、在电化学方面的应用

在储能器件方而,有机气凝胶经过烧结工艺处理后将得到碳气凝胶,这种导电的多孔材料是继纤维状活性碳以后发展起来的一种新型碳素材料,它具有很大的比表面积和高电导率,密度变化范围广。如在其微孔洞内充入适当的电解液,可以制成新型可充电电池,它具有储电容量大、内阻小、重量轻、充放电能力强、可多次重复使用等优异特性,反复充放电性能良好。

五、储氢材

氢能具有很高的热值,燃烧释能后的产物是水,对环境无污染,此外,氢能为可再生能源,不会枯竭,因而被誉为21世纪的绿色新能源。碳气凝胶具有高比表面积、低密度、连续的网络结构且孔洞尺寸很小又与外界相通,具有优良的吸、放氢性能。

六、气体或者液体吸附

气凝胶还可以用作吸附材料,例如吸附CO2气体,吸附一些化学有毒蒸汽,吸附炸药废水等。

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