號(hào)稱“最輕固體”的氣凝膠，還有很多值得了解的潛力！

發(fā)布時(shí)間 | 2019-05-28 17:19 分類 | 粉體應(yīng)用技術(shù) 點(diǎn)擊量 | 11226

石英石墨石墨烯氧化硅

導(dǎo)讀：氣凝膠是一種孔洞率可高達(dá)80%~99.8%的納米多孔材料，其比表面積可達(dá)到500~1300m2/g，具備低密度、小孔徑（2~50nm）以及比室溫空氣更低的熱導(dǎo)率（0.01~0.02W/(m·K)）等特點(diǎn)，是目前公認(rèn)熱導(dǎo)率最...

氣凝膠是一種孔洞率可高達(dá)80%~99.8%的納米多孔材料，其比表面積可達(dá)到500~1300m²/g，具備低密度、小孔徑（2~50nm）以及比室溫空氣更低的熱導(dǎo)率（0.01~0.02W/(m·K)）等特點(diǎn)，是目前公認(rèn)熱導(dǎo)率最低的固體材料。

上為鮮花下為火焰，這大概是氣凝膠最常見(jiàn)的出場(chǎng)方式

（圖：Thoisoi2 - Chemical Experiments!）

不過(guò)若你對(duì)氣凝膠的印象僅固定在此，那就有點(diǎn)可惜了。由于超高的孔隙率，氣凝膠在力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等方面均表現(xiàn)出獨(dú)特的性能，例如一般固態(tài)材料所不具有的低折射率、低熱導(dǎo)率、低聲阻抗等物理特性。具體這些特性能為氣凝膠材料的應(yīng)用帶來(lái)什么前景，且看下文分析。

1.力學(xué)性能

由于氣凝膠超高孔隙率的原因，它在力學(xué)性能表現(xiàn)出了高度脆性及易碎的特點(diǎn)。外媒上曾有科普愛(ài)好者上傳了氣凝膠的制備及其性能測(cè)試過(guò)程的視頻，從下方動(dòng)圖便能發(fā)現(xiàn)，通過(guò)一般手法制備的氣凝膠確實(shí)是比較“脆弱”。

普通氣凝膠只需要手指便能捏碎

（圖：Thoisoi2 - Chemical Experiments!）

與無(wú)機(jī)氣凝膠相比，一些有機(jī)及碳基氣凝膠具有更優(yōu)異的力學(xué)性能，例如聚酰亞胺氣凝膠、纖維素氣凝膠、殼聚糖氣凝膠等。雖然低強(qiáng)度氣凝膠一樣可以在保溫材料等領(lǐng)域得到應(yīng)用，但若能改進(jìn)其力學(xué)性能，無(wú)機(jī)氣凝膠的應(yīng)用必能得到更大的發(fā)展空間。目前，提升無(wú)機(jī)氣凝膠的力學(xué)性能主要從以下3個(gè)層面展開(kāi)。

①?gòu)暮暧^層面出發(fā)，以纖維作為基材與無(wú)機(jī)氣凝膠進(jìn)行復(fù)合可顯著提升復(fù)合氣凝膠的彈性性能，該方法對(duì)于SiO₂氣凝膠、TiO₂氣凝膠、Al₂O₃氣凝膠等眾多無(wú)機(jī)氣凝膠均適用。

②從粒子層面出發(fā)，通過(guò)將無(wú)機(jī)氣凝膠與一些有機(jī)化合物進(jìn)行復(fù)合，如異氰酸酯、環(huán)氧樹(shù)脂、聚苯乙烯等，可增強(qiáng)無(wú)機(jī)氣凝膠的骨架結(jié)構(gòu)，從而提升其力學(xué)性能。

③從分子層面出發(fā)，使用含有不同有機(jī)取代基的前驅(qū)體可對(duì)無(wú)機(jī)氣凝膠的力學(xué)性能進(jìn)行改善，該方法目前被廣泛應(yīng)用于硅系氣凝膠的制備；通過(guò)向前驅(qū)體內(nèi)引入甲基等不同的有機(jī)取代基，可以使最終所制得的硅系氣凝膠樣品擁有良好的彈性性能。

楊杰等對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠膠與防彈纖維、SiC /Al 復(fù)合材料和陶瓷組成的復(fù)合靶板進(jìn)行靶試試驗(yàn)。結(jié)果表明: 當(dāng)防彈纖維后面加上氣凝膠夾層后，強(qiáng)度較低的氣凝膠夾層使防彈纖維面板的變形有了很大的擴(kuò)展空間，復(fù)合靶板吸收彈頭動(dòng)能的能力大幅提高，同時(shí)可以有效防止彈頭的非貫穿性傷害。

復(fù)合材料/氣凝膠復(fù)合靶板的抗侵徹能力的靶試試驗(yàn)

此外，2006年美國(guó)NASA報(bào)道通過(guò)使用密度呈梯度變化的SiO₂氣凝膠材料成功實(shí)現(xiàn)了高速彗星塵埃粒子的捕獲——?dú)饽z在這里起到的作用就像一個(gè)網(wǎng)兜子，速度高達(dá)6000米/s的高速粒子會(huì)從低密度的一端進(jìn)入氣凝膠，通過(guò)在氣凝膠內(nèi)進(jìn)行無(wú)損減速，最終可以在高密度的一端實(shí)現(xiàn)了“軟著陸”，最終這些收集而來(lái)的彗星星塵可以更好地幫助人類了解太陽(yáng)和行星的歷史。

帶有氣凝膠樣品采集器的“星塵號(hào)”太空艙返回地球

2.熱學(xué)性能

在多孔材料中，熱量的傳輸主要有四個(gè)途徑，即固體導(dǎo)熱、氣體導(dǎo)熱、氣體對(duì)流傳熱以及輻射傳熱。由于氣凝膠具有納米孔隙結(jié)構(gòu)，因此其傳熱機(jī)理與傳統(tǒng)的多孔隔熱材料有所不同，如表所示。

固體導(dǎo)熱是材料內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量傳遞。與一般的隔熱材料相比，由于氣凝膠的骨架顆粒直徑小，導(dǎo)致顆粒之間的接觸面積也很小，熱量傳遞通路復(fù)雜。形象地來(lái)講，固體導(dǎo)熱在一般隔熱材料中可以說(shuō)走的是平坦順暢的“高速公路”，而在氣凝膠中走的是曲曲折折的“羊腸小道”。因此，固體導(dǎo)熱很小。

而在高溫區(qū)，輻射熱傳導(dǎo)對(duì)其熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)增加，因此必須通過(guò)降低輻射熱傳導(dǎo)使其熱導(dǎo)率降低。以SiO₂氣凝膠為例，通過(guò)向其前驅(qū)體溶液內(nèi)摻入TiO₂、炭黑等紅外遮光劑可使其熱導(dǎo)率在高溫下維持很低的水平。

氣凝膠氈常用于城市集中供熱、冷庫(kù)、天然氣管道、中央空調(diào)管道保溫、石油管道港口的保溫保冷

3.聲學(xué)性能

氣凝膠多孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其具有超低的密度，因而使得聲波在氣凝膠內(nèi)的傳播速度與一般固態(tài)物質(zhì)相比慢很多。例如聲波在SiO₂氣凝膠內(nèi)的傳播速度可低至90 m/s，而在石英玻璃內(nèi)卻高達(dá)5000 m/s。此外，氣凝膠內(nèi)的聲傳播速度還與其彈性模量有關(guān)，因此通過(guò)測(cè)定氣凝膠內(nèi)的聲傳播速度還可研究其相關(guān)彈性性能。

氣凝膠作為聲阻抗耦合材料

由于介質(zhì)的聲阻抗Z由介質(zhì)密度ρ與聲波在介質(zhì)中的傳播速度v共同決定(Z=ρv)，因此通過(guò)調(diào)節(jié)氣凝膠的密度可使其聲阻抗在很大范圍內(nèi)發(fā)生變化，同時(shí)低聲速的傳播特性與超低密度又使氣凝膠與其它固態(tài)材料相比聲阻抗最小。這些獨(dú)特的聲學(xué)特性可以使氣凝膠作為壓電陶瓷與空氣間的聲阻抗耦合材料，從而提高聲波的傳播效率。

4.光學(xué)性能

氣凝膠多孔的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其具有獨(dú)特的光學(xué)特性，例如通過(guò)調(diào)節(jié)碳?xì)饽z的孔洞結(jié)構(gòu)可以制得“超級(jí)黑”材料。

同濟(jì)大學(xué)科研人員成功獲得漫反射率僅為0.19%的超級(jí)黑材料

在眾多氣凝膠的種類中，人們對(duì)于SiO₂氣凝膠的光學(xué)性能研究最為深入。通常對(duì)于具有一定密度的SiO₂氣凝膠，構(gòu)成其納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的顆粒或團(tuán)簇尺寸越小，越有利于其光學(xué)透明度的提高。SiO₂氣凝膠對(duì)紅外及可見(jiàn)光的比消光系數(shù)之比可達(dá)100以上，與此同時(shí)其折射率可接近于1。這些獨(dú)特的光學(xué)性能可使SiO₂氣凝膠有效透過(guò)太陽(yáng)光并阻止熱紅外輻射，從而作為透明絕熱材料被應(yīng)用于太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)、建筑物智能窗等

5.電學(xué)性能

導(dǎo)電性能

碳?xì)饽z結(jié)合了碳材料本身的導(dǎo)電特性與氣凝膠材料多孔的結(jié)構(gòu)特性，是目前在電學(xué)領(lǐng)域中研究最為廣泛的氣凝膠材料，通常被用于超級(jí)電容器及鋰離子電池電極材料的研究。當(dāng)碳?xì)饽z被用于電極材料時(shí)，通常需要對(duì)其進(jìn)行一些活化處理，例如CO₂活化、KOH活化等，兩種方法都可以進(jìn)一步提高氣凝膠的比表面積。

瑞典查默斯理工大學(xué)的研究人員不久前公開(kāi)了一項(xiàng)鋰硫電池的新成果，他們利用石墨烯氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)，使之吸收大量含硫豐富的電解質(zhì)溶液，由于該區(qū)域內(nèi)有足夠高的“硫”密度，因此這種結(jié)合物可以在鋰硫電池中充當(dāng)獨(dú)立電極，并允許硫在沒(méi)有任何損失的情況下來(lái)回循環(huán)，也不會(huì)因?yàn)槿芙舛鴣G失。這一概念將有助于減輕電池的重量，并能提供更快的充電速度和更好的供電能力。

實(shí)驗(yàn)中所使用電池的結(jié)構(gòu)示意圖

電容去離子技術(shù)是碳?xì)饽z在電學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的另一個(gè)重要應(yīng)用。如下圖所示，碳?xì)饽z優(yōu)良的導(dǎo)電特性及巨大的孔隙率可使其被應(yīng)用于海水淡化領(lǐng)域。通過(guò)后期將外接電源反接還可實(shí)現(xiàn)對(duì)碳?xì)饽z中陰陽(yáng)離子的脫附，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。

碳?xì)饽z作為電容去離子技術(shù)的核心材料

介電性能

隨著集成電路工藝向微型化的方向發(fā)展，電路器件的特征尺寸被要求不斷減小，這將導(dǎo)致電路內(nèi)部出現(xiàn)互連延遲、串?dāng)_及功率損耗增加等現(xiàn)象，從而使電路性能降低。氣凝膠材料超高的孔隙率使其具有眾多獨(dú)特的介電性能，如超低的介電常數(shù)、超高的介電強(qiáng)度、在微波頻域內(nèi)具有很低的介電損耗等，因此使用SiO₂氣凝膠等具有低介電常數(shù)的介質(zhì)材料可以有效解決上述問(wèn)題。

6.吸附催化性能

氣凝膠多孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與超高的比表面積，使其與傳統(tǒng)的多孔材料相比具有更優(yōu)異的吸附催化性能，在污水處理及儲(chǔ)氫等方面有很好的應(yīng)用。此外，幾乎所有具有催化性能的氧化物均可制成氣凝膠，這將大大拓展氣凝膠在催化領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

污水處理

氣凝膠比表面積的大小是衡量其吸附催化性能的重要指標(biāo)。以RF有機(jī)氣凝膠在吸附催化領(lǐng)域中的應(yīng)用為例，通過(guò)向RF有機(jī)氣凝膠內(nèi)摻入氧化石墨烯納米片，可大大降低其在碳化過(guò)程中的線性收縮率，從而得到具有高比表面積的石墨烯納米片/碳復(fù)合氣凝膠；實(shí)驗(yàn)表明該復(fù)合氣凝膠對(duì)亞甲基藍(lán)溶液具有更強(qiáng)的吸附能力，可被用作處理廢水的吸附劑。

此外，通過(guò)對(duì)氣凝膠進(jìn)行復(fù)合或摻雜處理，還可進(jìn)一步提升其催化性能。例如通過(guò)向TiO₂氣凝膠內(nèi)復(fù)合適量的SiO₂可增強(qiáng)其光催化性能，通過(guò)向Al₂O₃氣凝膠內(nèi)復(fù)合適量的ZrO₂可顯著提高其在低溫下對(duì)NO氣體的催化等性能。