气凝胶的性质与应用

气凝胶的性质与应用由于气凝胶特有的纳米多孔、三维网络结构，气凝胶具有许多独特的性能，尤其表现在高孔隙率、低密度、低热导率等方面。下面从气凝胶性能角度介绍其应用，其中重点介绍气凝胶在热学、电学领域的应用。一．气凝胶的热学性质及应用气凝胶是一种轻质纳米多孔材料，其纤细的纳米多孔网络结构使其能够有效限制固态热传导和气态热传导；并且由于材料内部大部分气孔尺寸小于50nm，可以消除大部分热对流从而使对流传热大幅度降低。室温常压下粉末气凝胶热导率低于0.02W/mK；块状气凝胶的热导率低于0.014W/mK，比静止的空气(0.022W/mK)绝热性能好，与当前使用的泡沫保温材料如聚氨酯(0.03W/mK)也低得多，气凝胶的固态热导率比相应的玻璃态材料低2－3个数量级，可见气凝胶具有优异的绝热性能，是纳米孔超级绝热材料（在预定的使用条件下,其导热系数低于“无对流空气”导热系数的绝热材料）的纳米孔载体。目前，人们用粉末、块状或颗粒状气凝胶替代由弗里昂发制的聚氨酯泡沫作为绝热材料。美国NASAAmes研究中心SusanWhite等开发的陶瓷纤维-硅气凝胶复合绝热瓦，即以原来航天飞机使用的用陶瓷纤维制成的半硬质隔热瓦为基础，将气凝胶先驱体注入装有陶瓷纤维板的模具，按照预定的复合尺寸浇入合适的深度。在充满气凝胶的部分，陶瓷纤维作为支撑骨架，而具有纳米孔结构的气凝胶充满骨架之间的微米级孔隙。美国的“火星探路者”的运载火箭以及俄罗斯的“和平”号空间站采用了硅气凝胶作为隔热保护材料。二．气凝胶的光学性质及应用许多气凝胶能够制成透明或半透明材料，如硅气凝胶。气凝胶的折射率接近于1，对入射光几乎没有反射损失，能有效透过太阳光，并阻止环境的热红外辐射。国外之所以把硅气凝胶称为“冻烟”，是因为硅气凝胶对透射光的红化现象及折射光呈现蓝色。人们利用气凝胶介质此特性，最早用于切仑可夫探测器，与高压气体相比，其操作更简单且安全。超低密度的气凝胶已经被用作轻质反射器背衬材料。三．气凝胶的电学性质及应用在电学性质方面，由于其具有低介电常数、高比表面积、高介电强度等特点，气凝胶有非常优越的表现。尤其是有机气凝胶和金属氧化物气凝胶，是非常优异的介电体，可用作高压绝缘材料，高速或超速集成电路的衬底材料，真空电极的隔离介质以及超级电容器。目前计算机中所用的衬底材料的介电常数是4。如果这种材料的介电常数能够达到2，那么计算机的速度将会提高2倍或者更多。美国伦斯勒技术学院（RensselaerPolytechnicInstitute）通过控制硅气凝胶的孔隙率为65％－90%，使其介电常数达到1.4－2.3。德克萨斯仪器公司（TexasInstruments）利用铜丝与气凝胶以及新的设计方法研制出性能更加优良的衬底材料。另外一个重要应用是利用碳气凝胶的导电性作为理想的高效的超电容器和电容消离子过程的电极材料；而有些金属氧化物气凝胶则显示出优越的超导性、热电性和压电性。与一般电极材料相比，碳气凝胶具有很低的电阻（40毫欧姆/厘米）。Polystor公司推出一种高性能的碳气凝胶电容器，称为“空气电容器”。其功率为4千瓦/千克，接近于电池的功率。美国海洋研究实验室的DebraR.Rolison及CeliaMerzbacher带领的小组通过在气凝胶凝胶前掺加其他成分制备出无污染的燃料电池。四．气凝胶的声学性质及应用由于气凝胶的低声速特性，决定其是一种理想的声学延迟或高效隔音材料。此材料的声阻抗可变范围较大，是一种理想的超声探测器的声阻耦合材料。利用气凝胶材料当作窗户，不但透明度高，能量效率也与实心墙相仿，而且降噪效果比普通的双层玻璃强两倍。在美国，这种窗户已作为围墙安装在一座新开张旅馆的游泳池边上。另外，气凝胶具有高孔隙率（大于85%）、高比表面积（大于400m2/g）、均质、低密度等特点。可以作为滤光材料、氢气燃料储藏材料、催化剂及催化剂载体、吸附剂。一个较早的很重要的成功应用是在直接驱动的惯性约束聚变实验中作燃料囊以吸附核燃料。美国“星尘”号无人探测器于2004年1月2日成功接近了“怀尔德-2”彗星，在相遇的8分钟里，伸出一个网球拍状的尘埃搜集装置，成功搜集了彗星样本。此装置由孔隙率为99.8%的气凝胶制成。在遇到高速运动的彗星尘埃微粒时这种材料会起到缓冲作用“让颗粒逐步放慢脚步”从而尽可能保证颗粒的完整。在基础研究方面，硅气凝胶是研究分形结构动力学的最佳材料。这种气凝胶的表观密度明显依赖于标度尺寸。气凝胶的独特结构及低热导率、低密度的特性决定其最重要的应用之一是作为超级隔热材料，可以广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。美国NASA已经将气凝胶作为超级隔热材料应用于火星探测器的“漫游车”上，并已经成功发射到火星。德国的宝马汽车公司(BMW)在水冷散热器上包覆气凝胶层，能够显著提高散热器的使用温度，增强冬季条件下汽车的抗冻能力。SiO2气凝胶具有高度透光率并能有效阻止环境温度的热辐射，瑞士和德国采用颗粒状气凝胶设计了透明玻璃墙，它是一种既能过透过太阳光，又能有效积累太阳热量并抑制热散失的透明隔热体。此外SiO2气凝胶窗的开发研究已在德国、英国、比利时等国的数家公司联合开展，预计SiO2气凝胶窗具有广阔的市场前景。另外无机气凝胶由于其耐高温（Al2O3气凝胶能耐2000℃高温）、超低密度等特性，使其成为航天航空器上理想的隔热层。而意大利佛罗伦萨的“新星公司(Nove)”则首先生产以气凝胶为保温介质的短上衣。这种半透明的保温介质是世界上最轻的固体之一，用其制成的保暖上衣自然是轻薄无比。另外，美国NASAAmes研究中心开发的陶瓷纤维SiO2气凝胶复合材料已经用于高马赫数飞行器。2001年美国NASAAATD和JTCG基金也展开了旋翼飞行器的轻质气凝胶隔热材料研究(LTIR)及气凝胶与航天器生存能力(ARIAS)的研究。