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全面認識世界上zui輕的固體：氣凝膠

氣凝膠是一種新型低密度多孔納米材料，具有*的納米級多孔及三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，同時具有極低的密度（3-500kg/m3）、高比表面積（200-1000m2/g）和高孔隙率（孔隙率高達80-99.8％，孔洞典型尺寸為1-100nm）。

氣凝膠特性：

氣凝膠zui引人注目的特性是其超多孔洞性賦予的隔熱能力；

高比表面積、低密度、連續(xù)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)且孔洞尺寸很小又與外界相通賦予了材料高吸附-放出特性能力；

此外多孔特性賦予了材料更小的比重。

當然氣凝膠所采用的材料不同，用途也會不同。

氣凝膠主要包括無機氣凝膠、有機氣凝膠及炭氣凝膠。盡管氣凝膠被歸類為固體，但其中99%的物質(zhì)都是氣體?？茖W家說，由于材料上有無數(shù)的小孔和皺褶，如果把1立方厘米的氣凝膠全部展開的話，它就能覆蓋一個足球場。它的小孔不僅像一塊海綿一樣吸附污染物，還能充當氣穴，賦予材料隔熱保溫的功能。

一、氣凝膠的發(fā)展歷程

1999年，美國航空航天局研制出了密度為3毫克每立方厘米的二氧化硅氣凝膠，成為當時世界上zui輕固體材料。

2011年，美國科學家合作制造了一種鎳構(gòu)成的氣凝膠，密度為0.9毫克/立方厘米，是當時zui輕的固體材料。

鎳構(gòu)成的氣凝膠放在蒲公英花朵上，柔軟的絨毛幾乎沒有變形

2012年7月，英國基爾大學和德國漢堡科技大學的科學家們研制出了當時zui輕的材料“飛行石墨”，密度僅為0.2mg/cm3。看起來像一塊黑色不透明的海綿。 “飛行石墨”是由多孔的碳管在納米和微米尺度三維交織在一起組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。盡管其質(zhì)量很輕，但彈性卻非常好，擁有*的抗壓縮能力和張力負荷。它可以被壓縮95%，然后恢復到原有大小。它還幾乎能吸收所有光線。

2013年，浙江大學研制的“全碳氣凝膠”密度為0.16毫克每立方厘米，創(chuàng)造了一個新的記錄。

2015年，東華大學俞建勇院士、丁彬教授帶領(lǐng)的納米纖維研究團隊利用普通纖維膜材料開發(fā)出了一種超輕、超彈的纖維氣凝膠，經(jīng)中國計量認證結(jié)果顯示，這種纖維氣凝膠的固態(tài)材料密度僅為0.12毫克每立方厘米，一塊體積為20立方厘米的“纖維氣凝膠”可以輕松的“踩”在羽絨的幾根絨毛上。

2016年，東華大學俞建勇院士、丁彬教授帶領(lǐng)的團隊在超輕生物質(zhì)衍生碳基納米纖維氣凝膠研究上取得了突破性進展。利用納米纖維“三維網(wǎng)絡重構(gòu)”新方法將靜電紡納米纖維和新型生物質(zhì)碳源構(gòu)建為超輕質(zhì)、超彈性碳基納米纖維氣凝膠，該氣凝膠具有類蜂巢網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，且其固態(tài)材料密度僅為0.14mg/cm3。

二、氣凝膠用途舉例1、氣凝膠的保溫隔熱特性

2002年，美國宇航局成立了一家公司，專門生產(chǎn)更結(jié)實更有韌性的氣凝膠。美國宇航局現(xiàn)在已經(jīng)確定，在2018年火星探險時，宇航員們將穿上用新型氣凝膠制造的宇航服在宇航服中加入一個18mm厚的氣凝膠層，那么它就能幫助宇航員扛住1300℃的高溫和零下130℃的超低溫。加入宇航服的制作，質(zhì)量更輕，體積更小。

用氣凝膠材料做成的防寒外套，僅3mm厚與40mm鴨絨外套相同的保溫效果

2、星塵采集器

美國“星塵號”行星間宇宙飛船，主要目的是探測維爾特二號彗星和它的彗發(fā)成分組成。它于1999年2月9日由NASA發(fā)射升空，經(jīng)過46億公里(29億英里)的旅行，2006年1月15日成功返回艙在地球著陸。為了減少高速捕獲星塵時對星塵原有化學結(jié)構(gòu)及物理結(jié)構(gòu)的影響，在“星塵號”上附帶特殊的氣凝膠收集器。

3、碳氣凝膠的吸附特性用于處理污染物：氣凝膠所采用的材料不同，用途也會不同。浙江大學研制的那種名叫碳海綿的氣凝膠，彈性很好，被壓縮80%后還可以恢復原狀。它對油具有超快、超高的吸附力，是目前吸油能力zui強的材料。現(xiàn)在的吸油產(chǎn)品，一般只能吸收自身重量10倍左右的油，而碳海綿的吸油量是它自身重量的250倍，zui高可達900倍，神奇的是，碳海綿只吸油不吸水，可用于清理石油污染。

4、用于平板太陽能集熱器降低熱損失

平板太陽能集熱器是當今世界上應用zui廣、zui成功的太陽能集熱產(chǎn)品之一。具有采光面積大、結(jié)構(gòu)簡單、無需跟蹤、工作可靠、成本較低、運行安全、免維護、使用壽命長等特點，但其頂部熱損失較大，工質(zhì)溫度較低，熱效率偏低。一般來說，頂部散熱損失約占整個熱損失的60％以上。使用氣凝膠玻璃可以有效地降低頂部熱損失是提高其熱效率。

5、工業(yè)及建筑絕熱領(lǐng)域

在工業(yè)及民用領(lǐng)域納米孔超級絕熱材料有著廣泛和潛力的應用價值。首先,在電力、石化、化工、冶金、建材行業(yè)以及其他工業(yè)領(lǐng)域，熱工設備普遍存在。工業(yè)節(jié)能中，納米孔超級絕熱材料也起著非常重要的作用，其中有些特殊的部位和環(huán)境，由于受重量、體積或空間的限制,急需的超級絕熱材料。

在民用領(lǐng)域：玻璃幕墻加入氣凝膠，可在不影響玻璃原有采光及美觀條件下，增加其建筑物隔熱保溫能力，降低玻璃幕墻建筑物的能耗。

建筑物更低的能耗，更低的排放也許未來會成為降低溫室效應，節(jié)能減排的一大利器。

6、用于吸音降噪

除了成為的保溫隔熱材料，氣凝膠還是很棒的吸音材料。比如我國2015年研制的這種纖維氣凝膠，它可以在100-6300Hz寬頻段內(nèi)的吸音。

三、氣凝膠如何制備

氣凝膠性能主要由其納米孔洞結(jié)構(gòu)決定，一般通過溶膠-凝膠工藝獲得所需納米孔洞和相應凝膠骨架，由于凝膠骨架內(nèi)部的溶劑存在表面張力，在普通的干燥條件下會造成骨架的坍縮，氣凝膠制備技術(shù)核心在于避免干燥過程中由于毛細管力導致納米孔洞結(jié)構(gòu)塌陷。

氣凝膠的制備一般經(jīng)過溶膠-凝膠法制備濕凝膠和凝膠的干燥兩個過程。

溶膠-凝膠過程可描述如下：反應物溶液中首成初次粒子，粒子長大形成溶膠，粒子繼續(xù)聚集交聯(lián)成三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)即得到凝膠。

1、制備氣凝膠的溶膠-凝膠工藝一般有三種實現(xiàn)方法：

金屬醇鹽或金屬硝酸鹽、鹽酸鹽等前驅(qū)體經(jīng)由水解和縮聚形成凝膠；

溶液中單一聚合物單體聚合或幾種聚合物單體共聚形成凝膠； 

膠體粉末溶膠的凝膠化。

無機氣凝膠的合成：

無機氣凝膠一般選用金屬有機物或金屬鹽作為原料，利用溶膠-凝膠過程在溶液內(nèi)先形成溶膠粒子，粒子之間相互團聚、交聯(lián)形成三維無序、枝狀連續(xù)網(wǎng)絡狀骨架結(jié)構(gòu)，溶劑被包裹于骨架之間，隨后采用超臨界干燥工藝去除凝膠體內(nèi)殘余溶劑即可制得具有納米量級連續(xù)多孔無序網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的低密度非晶固態(tài)材料。

目前制備出的無機氣凝膠有幾十種之多，其中：

一元氧化物氣凝膠有SiO2、Al2O3、TiO2、MgO、Cr2O3等; 

雙元氧化物氣凝膠有Al2O3/SiO2、B2O3/SiO2、Fe2O3/SiO2、Lu2O3/Al2O3、CuO/Al2O3等；

三元氧化物氣凝膠有CuO/ZnO/ZrO2、MgO/Al2O3/SiO2 等；

金屬氣凝膠有Cu/Al2O3、Ni/Al2O3、Pd/Al2O3等。

有機氣凝膠及炭氣凝膠的合成：

有機氣凝膠制備過程與無機氣凝膠的制備過程相似，采用有機物單體或低聚體溶于溶劑中經(jīng)過化學反應，生成鏈狀或無序枝狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，zui后經(jīng)溶膠-凝膠過程實現(xiàn)凝膠化，溶劑置換后，再經(jīng)超臨界干燥除去溶劑得到干燥后的氣凝膠。目前較多人研究的是MF和RF氣凝膠。

炭氣凝膠的制備：

將干燥好的有機氣凝膠進行炭化即制得炭氣凝膠。

其制備一般分為三個步驟：

有機氣凝膠濕凝膠的制備、超臨界干燥和炭化。其中有機氣凝膠濕凝膠的形成可以得到具有三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠體；

超臨界干燥可以在維持凝膠的結(jié)構(gòu)同時除去孔隙內(nèi)的溶劑；

炭化使干燥后的凝膠在保持了有機凝膠的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使得碳元素成為組成氣凝膠骨架結(jié)構(gòu)的主要成分，并且具有一定導電性能，增加了氣凝膠的應用范圍。

2、凝膠的干燥：

氣凝膠具有極低的密度、*的孔隙率，其體系本身所具有的結(jié)構(gòu)強度就不是很強，所以在采用普通干燥法如常溫干燥、烘烤干燥等時，會由于存在氣體和液體二相界面及表面張力等很容易使凝膠骨架發(fā)生坍塌收縮。為了zui大限度的減少凝膠在干燥過程中的基本網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)坍塌收縮，以獲得與濕凝膠骨架結(jié)構(gòu)相似的氣凝膠，科學家們提出了幾種可行的措施：冷凍干燥法、凝膠改性后再進行常規(guī)干燥及超臨界干燥法等。

（1）超臨界流體干燥技術(shù)：

超臨界干燥技術(shù)是zui早實現(xiàn)批量制備氣凝膠的技術(shù)，也是目前國內(nèi)外氣凝膠企業(yè)采用較多的技術(shù)，通過壓力和溫度控制，使溶劑在干燥過程中達到其本身的臨界點。處于超臨界狀態(tài)溶劑無明顯表面張力，從而可以實現(xiàn)凝膠在干燥過程中保持完好骨架結(jié)構(gòu)，在保持原有結(jié)構(gòu)的前提下去除凝內(nèi)的大量液體而制得氣凝膠。

該技術(shù)的關(guān)鍵在于溫度及壓力控制以及控制適當?shù)母稍锼俾?，常用的干燥介質(zhì)有甲醇、乙醇、二氧化碳等，通常情況下都采用超臨界二氧化碳干燥。

（2）常壓干燥：

一種新型的氣凝膠制備工藝，是當前研究zui活躍，發(fā)展?jié)摿ui大的氣凝膠量產(chǎn)技術(shù)。

原理是首先選用一種低表面張力的溶劑置換濕凝膠孔洞中表面張力較大的水和醇，然后對凝膠表面進行疏水改性，使凝膠收縮程度降至zui低；另外，通過調(diào)節(jié)凝膠孔洞的均勻性和增強網(wǎng)絡骨架強度來減小毛細管壓力的影響，從而可以在常壓下制得結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與超臨界干燥制備出的氣凝膠相接近。

兩者之間區(qū)別：

超臨界干燥使用高壓設備，一般工作壓力高達7MPa~20MPa，前期投入高，運行和維護成本也較高；常壓干燥技術(shù)采用常規(guī)的常壓設備，由于不需要高壓條件，前期投入低，但技術(shù)門檻卻較高，對配方的設計和流程組合優(yōu)化有較高要求。

四、氣凝膠的結(jié)構(gòu)控制及表征

1、無機氣凝膠的結(jié)構(gòu)控制：

以SiO2氣凝膠為無機氣凝膠代表，其濕凝膠的制備主要通過溶膠－凝膠過程實現(xiàn)，而在這一過程中催化劑濃度是影響氣凝膠結(jié)構(gòu)的重要因素。

1. 有機氣凝膠及炭氣凝膠：

有機氣凝膠及炭氣凝膠在力學、聲學、電學、光學、熱學等方面的*性能，歸根結(jié)底是在于其具有*的納米網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。而催化劑濃度、反應物濃度及配比、溶劑的選擇、反應溫度控制及老化作用等都是影響其結(jié)構(gòu)的因素.