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气凝胶简介

  • 工夫: 2015-08-31 10:10:22
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二氧化硅气凝胶又被称作“蓝烟”、“固体烟”,是今朝已知的密度最小、质量最轻的固体质料,也是迄今为止保温机能最好的质料。因其具有纳米多孔构造(1~100nm)、低密度(3~250kg/m3)、低介电常数(1.1~2.5)、低导热系数(0.013~0.025W/(m·k))、高孔隙率(80~99.8%)、高比表面积(500~1000m2/g)等特性,在力学、声学、热学、光学等诸方面显现出共同性子,气凝胶貌似“身强力壮”,实在十分巩固耐用。它能够接受相当于本身质量几千倍的压力,在温度到达1200摄氏度时才会融化。另外它的导热性和折射率也很低,绝缘才能比最好的玻璃纤维还要强39倍。在航天、军事、石油、化工、矿产、通信、医用、建材、电子、冶金等浩瀚范畴有着普遍而宏大的使用代价,被称为“改动世界的奇异质料”。

气凝胶根本特性

1、热学特性

气凝胶的纳米多孔构造使它具有极佳的绝热机能,其热导率以至比氛围还要低,氛围在常温真空形态下的热导率为0.026W/(m·k),而气凝胶在常温常压下的热导率普通小于0.020W/(m·k),在抽真空的形态下,热导率可低至0.004W/(m·k)

气凝胶之所以具有云云优良的绝热特性与它的高孔隙率有关。热量的传导次要经由过程三种路子来停止,气体传导,固体传导,辐射传导。在这三种方法中,经由过程气体传导的热量是很小的,因而大部分气体都具有十分低的热导率。常用的绝热材料都是多孔构造,其恰是操纵了氛围占有了固体质料的一部分体积,从而低落了质料团体的热导率。气凝胶的孔隙率比一般绝热材料要大很多,其95%以上都是由氛围组成,决议了其将具有与氛围一样低的热导率。并且气凝胶中包罗大量孔径小于70nm的孔,70nm是氛围中主要成分氮气和氧气的自在程(气体份子两次碰撞之间的时间内颠末的路途的统计平均值),因而意味着氛围在气凝胶中将无法实现对流,使得气态热导率进一步低落。气凝胶中含量极少的固体骨架也是由纳米颗粒构成,其打仗面积十分小,使得气凝胶一样具有极小的固态热导率。气凝胶的热辐射传导次要为发作在3-5μm区域内的红外热辐射,其在常温下可以有用的阻挠红外热辐射,但跟着温度的降低,红外热辐射透过性加强。为了进一步低落高温红外热辐射,凡是向气凝胶中参加遮光剂,如碳黑、二氧化钛等,遮光剂的利用可以大大低落高温下的红外热辐射。

SiO2气凝胶作为一种纳米孔超级绝热材料,除具有极低的热导率以外还具有超轻质以及高热稳定性的特性,它在产业、民用、修建、航天及军事等范畴具有十分普遍的使用。

2、声学特性

吸声材料要求质料内部布满孔隙,而且孔隙是相互连通且与外表相通的。当声波入射到质料外表时,一部分在质料外表被反射,另外一部门则透入到质料内部向前传布。声波在传布历程中,其发生的振动惹起小孔或间隙内的氛围运动,形成和孔壁的摩擦,紧靠孔壁和纤维外表的氛围受孔壁的影响不容易流动,因为摩擦和粘滞力的感化,使相称一部分声能转化为热效能。

气凝胶内部布满了两头开放并与外表相通的纳米孔,其高达1000m2/g的比表面积说清楚明了此中包罗孔的数目之多,因而声音在此中传布时,声能将被其大量存在的孔壁大大耗损,这使得气凝胶具有比一般多孔质料高数十倍的吸声结果。另外气凝胶热稳定性非常好,耐腐化,且颠末外表处置的气凝胶疏水,这使其在极度高温及卑劣腐化情况下仍具有优良的吸声机能。今朝利用的一般吸声材料如玻璃棉、矿物棉、岩棉等,吸声服从不高,且机能不稳定。气凝胶作为一种新型吸声材料,不单吸声结果更好,且超轻质,无污染,它的用处将十分普遍,特别在航空航天方面因为其轻质的特性,将成为吸声材料的首选。另外,还可将气凝胶质料用做修建的吸声材料,有优秀的隔音结果。

因为气凝胶的密度能够经由过程改动制备条件对其停止掌握,因而使得声阻亦可调。这一特性使得气凝胶可作为声阻耦合质料,如作为压电陶瓷与氛围的声阻耦合质料。压电陶瓷具有极高的声阻,氛围则具有极低的声阻,阻抗在二者之间某个值的质料可以婚配声学阻抗。用SiO2气凝胶耦合高声阻的压电陶瓷和低声阻的氛围,Krauss等报导这一耦合成果使声强提高43.5dB

水声反声质料是指声波由水中入射到质料层上能无损耗地局部反射进来的质料。在潜艇上组成声纳装备声学体系的质料中,水声反声质料是非常重要的,它能够使声纳双方向事情,消弭非探测方向来的假目的旌旗灯号的滋扰,同时断绝配备体本身噪声,提高声纳的信噪比和增益。特性阻抗与水的特性阻抗严峻失配的质料可用作水声反声质料。常压下氛围的密度和声速都远远小于水的密度和声速,氛围的特性阻抗将比水小很多,与水阻抗失配严峻,因而含有大量氛围的质料可作为常压水中的反声质料。气凝胶高孔隙率且超轻质的特性使其成为最好的水声反声质料,既具有优良的水声反声结果,又不增长潜艇的重量。

3、催化特性

超微粒子特定的外表构造有利于活性组分的分离,从而能够对很多催化历程发生明显的影响。气凝胶是一种由纳米粒子构成的固体质料,具有小粒径、高比表面积和低密度等特性,这些特性使气凝胶催化剂的活性和选择性均远远高于通例催化剂,并且活性组分能够十分平均地分离于载体中,同时它还具有优秀的热稳定性,能够有用的削减副反应发作。因而气凝胶作为催化剂,其活性、选择性和期限都能够获得大幅度地提高,具有十分优良的催化特性。

1938年,Kearby 等发如今醇向胺的转化历程中,Cr2O3Al2O3复合氧化物气凝胶是一种机能优良的催化剂。1974年,Gardes 等制备了NiO/Al2O3 气凝胶催化剂并把它应用于乙苯脱乙基制苯,具有十分优良的结果。早期气凝胶催化剂次要用于一些有产业使用布景的有机反响,如乙酸转化为丙酮、丙酸转化为二乙基丙酮等反响,近年来曾经发明了气凝胶更多的催化特性。

4、吸附特性

因为气凝胶由纳米颗粒骨架组成,具有高通透性的三维纳米网络构造,具有很高的比表面积(6001200 m2/g 和孔隙率(高达90 %以上),且孔洞又与外界相通,因而它具有十分优良的吸附特性,在气体过滤器、吸附介质方面有着很大的使用代价。

比照疏水SiO2气凝胶、活性炭纤维以及活性炭颗粒对吸附介质为苯、甲苯、四氯化碳、乙醛的吸附机能测试成果,比力发明,SiO2气凝胶的吸附机能较活性炭纤维(ACF) 和活性炭颗粒(GAC) 更加良好。并且经由过程改性制备出的疏水SiO2气凝胶,能够制止亲水型活性炭在湿润情况下吸附机能大幅低落。同时若将SiO2气凝胶停止第一次吸附脱附后,再次停止吸附研讨,SiO2气凝胶可便利地经过热气流脱附,再吸附容量根本稳定,这就为轮回操纵缔造了有益的条件。

5、光学特性

纯洁的SiO2气凝胶是通明无色的,它的折射率(1.0061.06)十分靠近于氛围的折射率,这意味着SiO2气凝胶对入射光几乎没有反射丧失,能有效地透过太阳光。因而,SiO2气凝胶可以被用来建造绝热降噪玻璃。操纵差别密度的SiO2气凝胶膜对差别波长的光制备光耦合质料,能够获得初级的光增透膜。

当经由过程掌握制备条件得到差别密度的SiO2气凝胶时,它的折射率可在1.008-1.4范围内变革,因而SiO2气凝胶可作为切仑科夫探测器中的介质质料,用来探测高能粒子的质量和能量。

6、电学特性

气凝胶具有低介电常数(1<e<2),并且可经由过程改动其密度调理介电常数值。跟着微电子产业的迅速发展,对集成电路运算速度的要求愈来愈高。一般而言,所用衬底质料的介电常数越低,则运算速度越快。如今集成电路所用的衬底质料为Al2O3,其介电常数为10,今朝的趋向是利用聚酰亚胺或其它高聚物介电质料替换Al2O3,但是,高聚物的热膨胀系数较高,简单惹起应力以及变形。气凝胶具有一些更优越的特性,其介电常数值很低且能够调理,其热膨胀系数与硅质料附近因而应力很小,并且相对聚酰亚胺它有优良的高温稳定性。因而如将集成电路所用的衬底质料改成气凝胶薄膜,其运算速度可提高3倍。