二氧化硅氣凝膠簡(jiǎn)介

氣凝膠（aerogels）通常是指以納米量級(jí)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(shí)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(cè)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(shí)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，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(dòng)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。實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)可用更安全、更廉價(jià)的二氧化硅氣凝膠制作方法。與此同時(shí)，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，制備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，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(duì)于氣凝膠領(lǐng)域的研究更為深入。

我國(guó)同濟(jì)大學(xué)波耳固體物理研究所于90年代初在國(guó)內(nèi)開展了氣凝膠的研究工作，積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)。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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、國(guó)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(guó)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(cè)器的聲阻耦合材料。

初步實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)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(chǔ)油罐等以及汽車、飛機(jī)等發(fā)動(dòng)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)保的絕熱材料。

氣凝膠也正走進(jìn)我們的日常生活。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(duì)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(chǔ)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(jí)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。

（4）*工

防碎片飛濺是新型氣凝膠的另一個(gè)重要用途，如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠，那么，就算被碎片直接擊中，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氣凝膠具表面積和孔隙率,近年來被廣泛應(yīng)用于Cerenkov探測(cè)器中,以探測(cè)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(yàn)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(duì)氖具有良好的吸附性能,因而為慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)研制高增益靶提供了一個(gè)新途徑,這對(duì)于利用受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)來獲得廉價(jià)、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(guó)際上關(guān)于氣凝膠材料的研究工作主要集中在德國(guó)的維爾茨堡大學(xué)、BASF公司、美國(guó)的勞倫茲·利物莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，法國(guó)的蒙彼利埃材料研究中心，日本高能物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，美國(guó)阿斯潘公司，美國(guó)宇航局等。

國(guó)內(nèi)主要集中在在同濟(jì)大學(xué)波爾固體物理實(shí)驗(yàn)室、國(guó)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(chǎng)需求與展望

SiO₂氣凝膠具有的介孔結(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(jí)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(jì)2014年需求將達(dá)到230億平米。中國(guó)保溫材料需求占全*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。

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(duì)氣凝膠的不斷深入研究和產(chǎn)業(yè)化推廣，氣凝膠將會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域得到迅速的發(fā)展。