二氧化硅氣凝膠簡介

氣凝膠（aerogels）通常是指以納米量級超微顆粒相互聚集構(gòu)成納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在網(wǎng)絡(luò)孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的輕質(zhì)納米固態(tài)材料。氣凝膠是一種固體，但是99%都是由氣體構(gòu)成，外觀看起來像云一樣。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”。

最常見的氣凝膠為二氧化硅氣凝膠。SiO₂氣凝膠是一種防熱隔熱性能非常優(yōu)秀的輕質(zhì)納米多孔非晶固體材料，其孔隙率高達(dá)80-99.8％，孔洞的典型尺寸為1-100 nm，比表面積為200-1000 m²/g，而密度可低達(dá)3 kg/m3，室溫導(dǎo)熱系數(shù)可低達(dá)0.012 W/（m•k）。正是由于這些特點(diǎn)使氣凝膠材料在熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、微電子、粒子探測方面有很廣闊的應(yīng)用潛力。

一、氣凝膠發(fā)展歷史

早在1931年，Steven.S.Kistler就開始研究氣凝膠。他最初采用的方法是用硅酸鈉水溶液進(jìn)行酸性濃縮，用超臨界水再溶解二氧化硅，用乙醇交換孔隙中的水后，利用超臨界流體干燥技術(shù)制成了最初的真正意義上的氣凝膠。這種材料的特點(diǎn)是透明、低密度、高孔隙率。但受當(dāng)時科研手段的限制，這種材料的研制并沒有引起科學(xué)界的重視。

上世紀(jì)七十年代，在法國政府的支持下，Stanislaus Teichner在尋找一種用于存儲氧和火箭燃料的多孔材料的過程中，找到一種新的合成方法，即把溶膠- 凝膠化學(xué)方法用于二氧化硅氣凝膠的制備中。這種方法推動了氣凝膠科學(xué)的發(fā)展。

此后，氣凝膠科學(xué)和技術(shù)得到了快速發(fā)展。1983年Arlon Hunt 在Berkeley 實驗室發(fā)現(xiàn)可用更安全、更廉價的二氧化硅氣凝膠制作方法。與此同時，微結(jié)構(gòu)材料研究小組發(fā)現(xiàn)可用具有更低臨界溫度和臨界壓力的二氧化碳超臨界流體取代乙醇作為超臨界干燥的流體，使得超臨界干燥技術(shù)得以向?qū)嵱没A段邁進(jìn)。

八十年代后期，Larry Hrubesh 領(lǐng)導(dǎo)的研究者在Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) 制備了質(zhì)輕的二氧化硅氣凝膠，密度是0.003 g/cm ³，僅有空氣的3倍。不久之后，Rick Pekala(LLNL) 制備了有機(jī)氣凝膠，包括間苯二酚-甲醛氣凝膠、三聚氰胺-甲醛氣凝膠。間苯二酚-甲醛氣凝膠能夠被熱解得到純碳?xì)饽z，該方法開創(chuàng)了氣凝膠研究的新領(lǐng)域。

進(jìn)入九十年代以后，對于氣凝膠領(lǐng)域的研究更為深入。據(jù)統(tǒng)計，近年來在各類雜志上有關(guān)氣凝膠的文章以達(dá)三千多篇。

我國同濟(jì)大學(xué)波耳固體物理研究所于90年代初在國內(nèi)開展了氣凝膠的研究工作，積累了較為豐富的經(jīng)驗。此外，中科院物理與化學(xué)所、清華大學(xué)、山西煤化所、南京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、國防科技大學(xué)、北京化工大學(xué)、武漢大學(xué)、大連理工大學(xué)等也于近期開展了氣凝膠方面的研究工作。

　　總的來說，由于氣凝膠昂貴的制備成本、材料本身難以克服的低強(qiáng)度、高脆性等缺點(diǎn)成為制約其廣泛應(yīng)用的瓶頸，因此也成為今后各國科學(xué)家共同努力突破的關(guān)鍵。

二、氣凝膠的性質(zhì)

1. 隔熱性

SiO₂氣凝膠材料具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)，可達(dá)到0.013-0.016W/(m·K),低于靜態(tài)空氣（0.024W/(m·K)）的熱導(dǎo)系數(shù),比相應(yīng)的無機(jī)絕緣材料低2-3個數(shù)量級。即使在800℃的高溫下其導(dǎo)熱系數(shù)才為0.043W/(m·K)。高溫下不分解，無有害氣體放出，屬于綠色環(huán)保型材料。SiO₂硅氣凝膠與各種耐熱纖維復(fù)合后，可制成各種形式的保溫材料?？蓮V泛用于工業(yè)、建筑、管道、汽車、航天等領(lǐng)域。

2. 隔音性

由于硅氣凝膠的低聲速特性，它還是一種理想的聲學(xué)延遲或高溫隔音材料。該材料的聲阻抗可變范圍較大(10³-10⁷ kg/m²·s)，是一種較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料。

初步實驗結(jié)果表明，密度在300 kg/m³左右的硅氣凝膠作為耦合材料，能使聲強(qiáng)提高30 dB，如果采用具有密度梯度的硅氣凝膠，可望得到更高的聲強(qiáng)增益。

3. 非線性光學(xué)性質(zhì)

由于硅氣凝膠的納米網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，化學(xué)氣相滲透法摻Si及溶液法摻C60的結(jié)果表明，摻雜劑是以納米晶粒的形式存在，并觀察到很強(qiáng)的可見光發(fā)射，為多孔硅的量子限制效應(yīng)發(fā)光提供了有力證據(jù)。利用硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)以及C60的非線性光學(xué)效應(yīng)，可進(jìn)一步研制新型激光防護(hù)鏡。

4. 過濾與催化性質(zhì)

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，是一種高效氣體過濾材料。

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. 折射率可調(diào)性

硅氣凝膠的折射率接近l，而且對紅外和可見光的湮滅系數(shù)之比達(dá)100以上，能有效地透過太陽光中的可見光部分，并阻隔其中的紅外光部分，成為一種理想的透明隔熱材料，在太陽能利用和建筑物節(jié)能方面已經(jīng)得到應(yīng)用。

三、氣凝膠的用途

（1）工業(yè)領(lǐng)域

在石油、化工和冶金行業(yè)中，管道、爐窯及其它熱工設(shè)備普遍存在，用SiO₂氣凝膠及其復(fù)合材料替代傳統(tǒng)的保溫材料對它們進(jìn)行保溫，可以大大減少熱能損失，提高熱能利用率。還可以用作液態(tài)天然氣罐和儲油罐等以及汽車、飛機(jī)等發(fā)動機(jī)和排氣管的隔熱材料。

（2）民用領(lǐng)域

用熱導(dǎo)率極低的摻雜SiO₂氣凝膠可用作為冰箱的隔熱材料，還可以用于樓房建筑的保溫、隔音材料等。常用建筑保溫材料多為聚苯乙烯、聚氨酯等高分子發(fā)泡材料，材料尺寸較厚，給施工以及后期穩(wěn)定性帶來許多問題，而且高分子保溫材料易燃，容易引起火災(zāi)。SiO₂氣凝膠能耐高溫，一般在800℃下，結(jié)構(gòu)、性能無明顯變化，是一種安全、節(jié)能、環(huán)保的超級絕熱材料。

氣凝膠也正走進(jìn)我們的日常生活。運(yùn)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。

（3）太陽能集熱器

具有高度透光率及低熱導(dǎo)率的氣凝膠對入射光幾乎沒有反射損失，能有效的透過太陽光，氣凝膠又能有效阻止熱量流失。因此氣凝膠特別適合于用作太陽能集熱器及其它集熱裝置的保溫隔熱材料。將氣凝膠絕熱材料應(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。

（3）航空航天領(lǐng)域

氣凝膠超級絕熱材料質(zhì)量、隔熱效果優(yōu)異，在航空、航天應(yīng)用領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。美國NASA Ames研究中心研發(fā)的硅酸鋁耐火纖維/SiO₂氣凝膠復(fù)合絕熱瓦已用于航天飛機(jī)，俄羅斯的“和平號”空間站也采用了SiO₂氣凝膠作為隔熱保溫材料。氣凝膠正用來為人類登陸火星時所穿的太空服研制一種保溫隔熱襯里。Aspen Aerogel公司的一位資深科學(xué)家馬克·克拉耶夫斯基認(rèn)為，一層18毫米的氣凝膠將足以保護(hù)宇航員抵御零下130度的低溫。

　　氣凝膠還被用于收集彗星微粒。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

防金屬碎片飛濺新型氣凝膠的另一個重要用途。美國宇航局的這家公司正在對用氣凝膠建造的住所和軍車進(jìn)行測試。根據(jù)試驗室的試驗情況來看，如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠，金屬片也分毫無傷。

（5）過濾和催化中的應(yīng)用

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，是一種高效氣體過濾材料。氣凝膠還可以用作吸附材料，例如吸附CO₂氣體，吸附苯等化學(xué)有毒氣體，吸附廢水等。

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。

（6）在其它方面的應(yīng)用

　　SiO₂氣凝膠具有表面積和孔隙率,近年來被廣泛應(yīng)用于Cerenkov探測器中,以探測高能帶電粒子。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。

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。

五、研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)

研究機(jī)構(gòu)

目前國際上關(guān)于氣凝膠材料的研究工作主要集中在德國的維爾茨堡大學(xué)、BASF公司、美國的勞倫茲·利物莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室，法國的蒙彼利埃材料研究中心，日本高能物理國家實驗室，美國阿斯潘公司，美國宇航局等。

國內(nèi)主要集中在在同濟(jì)大學(xué)波爾固體物理實驗室、國防科技大學(xué)、紹興納諾高科、英德埃力生、山東科技大學(xué)、北京科技大學(xué)等。

六、市場需求與展望

SiO₂氣凝膠具有介孔結(jié)構(gòu)和性能，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。因其具有優(yōu)異的絕熱性能，可作為超級保溫材料，用于各種領(lǐng)域。

2008年，全球保溫隔熱材料需求100億平米，2011年達(dá)到202億平米。預(yù)計2014年需求將達(dá)到230億平米。中國保溫材料需求占全球份額的約29%，其中外墻保溫材料需求較大，“十二五”期間，僅新增建筑所需墻體保溫材料達(dá)到2400萬平方米，可創(chuàng)造產(chǎn)值約為200億元。

表1 全球保溫隔熱材料需求      單位：億平方米

總體而言，由于SiO₂氣凝膠制備原料昂貴、超臨界干燥工藝復(fù)雜，特別是制備高品質(zhì)氣凝膠的技術(shù)難度大，阻礙了該的產(chǎn)品的工業(yè)化推廣。隨著對氣凝膠的不斷深入研究和產(chǎn)業(yè)化推廣，氣凝膠將會在各個領(lǐng)域得到迅速的發(fā)展。