氣凝膠的應(yīng)用與探討
氣凝膠（aerogels）與干凝膠（xerogels）并非同一概念，國外相關(guān)文獻(xiàn)指出，濕凝膠經(jīng)過超臨界干燥得到的是氣凝膠，經(jīng)過常壓干燥得到的是干凝膠。嚴(yán)格講，氣凝膠應(yīng)是塊狀結(jié)構(gòu)，而干凝膠一般是粉體或者顆粒。
氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量，有時也被稱為“固態(tài)煙”或“凍住的煙”。這種新材料看似脆弱不堪，其實非常堅固耐用，不同成份的氣凝膠可以承受不同的溫度，常見的氧化硅氣凝膠可以在零度到650℃的范圍內(nèi)使用，有些類型的氣凝膠高能承受1400℃的高溫。氣凝膠的這些特性在航天探測上有多種用途。俄羅斯“和平”號空間站和美國“勇氣號”火星探測器上，都用到了氣凝膠材料。
不同氣凝膠的制備方法也不相同。但是其制備歷程大同小異，一般是采用溶膠-凝膠法制備濕凝膠（wet gel），濕凝膠經(jīng)溶劑置換和超臨界工作得到相應(yīng)的氣凝膠。
(1)孔隙率很高，可高達(dá)99.8%；科學(xué)家們表示，因為它有數(shù)百萬小孔和皺摺，所以如果把1立方厘米的氣凝膠拆開，它會填滿一個有足球場那么大的地方。它的小孔不僅能像一塊海綿一樣吸附污染物，還能充當(dāng)氣穴。一些形式的由鉑金制成的氣凝膠能用于加速水解及氫的產(chǎn)生。這樣的話，氣凝膠就能用來生產(chǎn)以氫為基礎(chǔ)的燃料。
(2)納米級別孔洞(~20nm)和三維納米骨架顆粒(2~5nm)；
(3) 高比表面積，可高達(dá)1000m2/g；
(4) 低密度，可低至0.003g/cm3。
(5)氣凝膠*的結(jié)構(gòu)決定了其具有極低的熱導(dǎo)率，常溫下可以低至0.013W/(m•K)，比空氣的導(dǎo)熱系數(shù)還低。
(6)強(qiáng)度低，脆性大，由于其比表面積和孔隙率很大，密度很低，導(dǎo)致其強(qiáng)度很低。如SiO2氣凝膠楊氏模量不到10MPa，抗拉強(qiáng)度只有16KPa，斷裂韌度只有0.8kPa•m1/2
1.超級絕熱材料
材料的熱傳導(dǎo)由氣態(tài)傳導(dǎo)、固態(tài)傳導(dǎo)和熱輻射傳導(dǎo)決定。由于氣凝膠材料具有納米多孔結(jié)構(gòu),因此常壓下氣態(tài)熱導(dǎo)率λg很小,真空下熱傳導(dǎo)由固態(tài)傳導(dǎo)和熱輻射傳導(dǎo)決定。同玻璃態(tài)材料相比,納米多孔材料由于高孔隙限制了稀疏骨架中鏈的局部激發(fā)的傳播,使得固態(tài)熱導(dǎo)率λs僅為非多孔玻璃態(tài)材料熱導(dǎo)率的1/500左右。Nilsson等檢測室溫下氣凝膠熱導(dǎo)率為0.013~0.016W/(m•K),靜態(tài)空氣的熱導(dǎo)率為0.024W/(m•K),即使在800℃的高溫下其導(dǎo)熱系數(shù)才為0.043W/(m•K),是目前隔熱性能好的固態(tài)材料。
（1）太陽能熱水器
太陽能熱水器及其他集熱裝置的保溫成了能否進(jìn)一步提高太陽能裝置的能源利用率和進(jìn)一步提高其實用性的關(guān)鍵因素。將納米孔超級絕熱材料應(yīng)用于熱水器的儲水箱、管道和集熱器，將比現(xiàn)有太陽能熱水器的集熱效率提高1倍以上，而熱損失下降到現(xiàn)有水平的30%以下。
（2）在熱電池上應(yīng)用
可延長熱電池的工作壽命,防止生成的熱影響熱電池周圍的元器件。
（3）軍事及航天領(lǐng)域
與傳統(tǒng)絕熱材料相比，納米孔氣凝膠超級絕熱材料可以用更輕的質(zhì)量、更小的體積達(dá)到等效的隔熱效果。這一特點使其在航空、航天應(yīng)用領(lǐng)域具有舉足輕重的優(yōu)勢。如果用作航空發(fā)動機(jī)的隔熱材料，既起到了隔熱作用，又減輕了發(fā)動機(jī)的重量。作為外太空探險工具和交通工具上的超級絕熱材料也有很好的應(yīng)用前景。
凝膠在航天中的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這些，美國宇航局的“星塵”號空間探測器已經(jīng)帶著它在太空中完成了一項十分重要的使命———收集彗星微粒。星塵號上的氣凝膠方陣科學(xué)家認(rèn)為，彗星微粒中包含著太陽系中原始、古老的物質(zhì)，研究它可以幫助人類更清楚地了解太陽和行星的歷史。2006年，“星塵”號飛船將帶著人類獲得的批彗星星塵樣品返回地球。
但收集彗星星塵并不是件容易的事，它的速度相當(dāng)快，盡管體積比沙粒還要小，可是當(dāng)它以如此高速接觸其它物質(zhì)時，自身的物理和化學(xué)組成都有可能發(fā)生改變，甚至*被蒸發(fā)。如今科學(xué)家有了氣凝膠，這個問題就變得很簡單了。它就像一個極其柔軟的棒球手套，可以輕輕地消減彗星星塵的速度，使它在滑行一段相當(dāng)于自身長度200倍的距離后慢慢停下來。在進(jìn)入“氣凝膠手套”后，星塵會留下一段胡蘿卜狀的軌跡，由于氣凝膠幾乎是透明的，科學(xué)家可以按照軌跡輕松地找到這些微粒。
（4）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的應(yīng)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(shè)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。
2.在催化劑以及催化載體方面的應(yīng)用
氣凝膠是一種由超微粒子組成的固體材料,具有小粒徑、高比表面積和低密度等特點,使SiO2氣凝膠催化劑的活性和選擇性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)催化劑,而且它還可以有效減少副反應(yīng)的發(fā)生。Kister制備出SiO2氣凝膠后不久就指出，氣凝膠因其高的孔隙率、比表面積和開放的織態(tài)結(jié)構(gòu),在催化劑和催化載體方面具有潛在的應(yīng)用價值，但因小的熱導(dǎo)率和低的滲透性影響了氣凝膠在催化反應(yīng)中的傳熱和傳質(zhì)，使其應(yīng)用受到限制。
3.在其它方面的應(yīng)用
SiO2氣凝膠具有*的比表面積和孔隙率,近年來被廣泛應(yīng)用于Cerenkov探測器中,以探測高能帶電粒子和在太空中捕集隕石微粒的介質(zhì)材料。SiO2氣凝膠也曾一度被用于等離子體研究中作為慣性限制熔融試驗體目標(biāo)組分。因其具有低的表觀密度和熱導(dǎo)率,耐高溫性能,氣凝膠作為隔熱消音材料很有前途。
由輕原子量元素組成的低密度、微孔分布均勻的SiO2氣凝膠對氖具有良好的吸附性能,因而為慣性約束聚變實驗研制高增益靶提供了一個新途徑,這對于利用受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)來獲得廉價、清潔的能源具有重要意義。
4.氣凝膠在日常生活中的應(yīng)用
氣凝膠也正走進(jìn)我們的日常生活。運動器材公司鄧祿普(Dunlop)已經(jīng)研制出一系列用氣凝膠加固的壁球和網(wǎng)球球拍，據(jù)說這種球拍能釋放更大的力量。今年初，英國諾丁漢66歲的鮑勃•斯托克爾擁有了一套用氣凝膠隔熱的房子，他也因此成為擁有這種房子的位英國人。他說：“保溫效果大大改善了。我把自動調(diào)溫器調(diào)低了5度。這真是一個不可思議的變化。”
登山者也開始從氣凝膠中受益。去年，一位英國登山者安妮•帕曼特爾穿上帶氣凝膠鞋墊的靴子爬上珠穆朗瑪峰，就連睡袋也加有這種材料。她說：“我的問題就是我的腳太熱，這對一名登山者來說是一個大難題。”
不過，它還沒能征服時尚界。Hugo Boss公司推出了一系列用這種材料制成的冬季夾克，但在消費者紛紛抱怨這種衣服太熱之后不得不下架。
在環(huán)境保護(hù)及化學(xué)工業(yè)方面，納米結(jié)構(gòu)的氣凝膠還可作為新型氣體過濾 ，與其它材料不同的是該材料孔洞大小分布均勻，氣孔率高，是一種氣體過濾材料。由于該材料特別大的比表而積．氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方而亦有廣闊的應(yīng)用前景。
5.在電化學(xué)方面的應(yīng)用
在儲能器件方而，有機(jī)氣凝膠經(jīng)過燒結(jié)工藝處理后將得到碳?xì)饽z 這種導(dǎo)電的多孔材料是繼纖維狀活性碳以后發(fā)展起來的一種新型碳素材料，它具有很大的比表面積(600—1000 m2／g)和高電導(dǎo)率(10~25 s／cm)．而目．密度變化范圍廣(0.05~1.0 g／cm3)．如在其微孔洞內(nèi)充人適當(dāng)?shù)碾娊庖海梢灾瞥尚滦涂沙潆婋姵兀哂袃﹄娙萘看蟆?nèi)阻小、重量輕、充放電能力強(qiáng)、可多次重復(fù)使用等優(yōu)異特性，初步實驗結(jié)果表明：碳?xì)饽z的充電容量達(dá)3×104／kg2，功率密度為7 kw／kg，反復(fù)充放電性能良好。
6.儲氫材料
氫能具有很高的熱值，燃燒釋能后的產(chǎn)物是水，對環(huán)境無污染，此外，氫能為可再生能源，不會枯竭，因而被譽為21世紀(jì)的綠色新能源。美國Lawrence Livermore實驗室和伊利諾斯大學(xué)研究表明：炭氣凝膠具有高比表面積、低密度、連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)且孔洞尺寸很小又與外界相通，具有優(yōu)良的吸、放氫性能。美國能源部于2005年專門設(shè)立了機(jī)構(gòu)，研究摻雜金屬的炭氣凝膠貯氫，并給予財政資助。
7.氣體或者液體吸附
氣凝膠還可以用作吸附材料，不如吸附CO2氣體，吸附一些化學(xué)有毒蒸汽，吸附廢水等。
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