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号称“最轻固体”的气凝胶,还有很多值得了解的潜力!

气凝胶是一种孔洞率可高达80%~99.8%的纳米多孔材料,其比表面积可达到500~1300m2/g,具备低密度、小孔径(2~50nm)以及比室温空气更低的热导率(0.01~0.02W/(m·K))等特点,是目前公认热导率最低的固体材料。

号称“最轻固体”的气凝胶,还有很多值得了解的潜力!

.为鲜花下为火焰,这大概是气凝胶最常见的出场方式

(图:Thoisoi2- Chemical Experiments!)

不过若你对气凝胶的印象仅固定在此,那就有点可惜了。由于超高的孔隙率,气凝胶在力学、热学、电学、光学、声学等方面均表现出独特的性能,例如一般固态材料所不具有的低折射率、低热导率、低声阻抗等物理特性。具体这些特性能为气凝胶材料的应用带来什么前景,且看下文分析。

1.力学性能

由于气凝胶超高孔隙率的原因,它在力学性能表现出了高度脆性及易碎的特点。外媒上曾有科普爱好者上传了气凝胶的制备及其性能测试过程的视频,从下方动图便能发现,通过一般手法制备的气凝胶确实是比较“脆弱”。

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普通气凝胶只需要手指便能捏碎

(图:Thoisoi2- Chemical Experiments!)

与无机气凝胶相比,一些有机及碳基气凝胶具有更优异的力学性能,例如聚酰亚胺气凝胶、纤维素气凝胶、壳聚糖气凝胶等。虽然低强度气凝胶一样可以在保温材料等领域得到应用,但若能改进其力学性能,无机气凝胶的应用必能得到更大的发展空间。目前,提升无机气凝胶的力学性能主要从以下3个层面展开。

①从宏观层面出发,以纤维作为基材与无机气凝胶进行复合可显著提升复合气凝胶的弹性性能,该方法对于SiO2气凝胶、TiO2气凝胶、Al2O3气凝胶等众多无机气凝胶均适用。

②从粒子层面出发,通过将无机气凝胶与一些有机化合物进行复合,如异氰酸酯、环氧树脂、聚苯乙烯等,可增强无机气凝胶的骨架结构,从而提升其力学性能。

③从分子层面出发,使用含有不同有机取代基的前驱体可对无机气凝胶的力学性能进行改善,该方法目前被广泛应用于硅系气凝胶的制备;通过向前驱体内引入甲基等不同的有机取代基,可以使最终所制得的硅系气凝胶样品拥有良好的弹性性能。

杨杰等对玻璃纤维增强二氧化硅气凝胶胶与防弹纤维、SiC/Al 复合材料和陶瓷组成的复合靶板进行靶试试验。结果表明:当防弹纤维后面加上气凝胶夹层后,强度较低的气凝胶夹层使防弹纤维面板的变形有了很大的扩展空间,复合靶板吸收弹头动能的能力大幅提高,同时可以有效防止弹头的非贯穿性伤害。

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复合材料/气凝胶复合靶板的抗侵彻能力的靶试试验

此外,2006年美国NASA报道通过使用密度呈梯度变化的SiO2气凝胶材料成功实现了高速彗星尘埃粒子的捕获——气凝胶在这里起到的作用就像一个网兜子,速度高达6000米/s的高速粒子会从低密度的一端进入气凝胶,通过在气凝胶内进行无损减速,最终可以在高密度的一端实现了“软着陆”,最终这些收集而来的彗星星尘可以更好地帮助人类了解太阳和行星的历史。

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带有气凝胶样品采集器的“星尘号”太空舱返回地球

2.热学性能

在多孔材料中,热量的传输主要有四个途径,即固体导热、气体导热、气体对流传热以及辐射传热。由于气凝胶具有纳米孔隙结构,因此其传热机理与传统的多孔隔热材料有所不同,如表所示。

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固体导热是材料内部微观粒子的热运动产生的热量传递。与一般的隔热材料相比,由于气凝胶的骨架颗粒直径小,导致颗粒之间的接触面积也很小,热量传递通路复杂。形象地来讲,固体导热在一般隔热材料中可以说走的是平坦顺畅的“高速公路”,而在气凝胶中走的是曲曲折折的“羊肠小道”。因此,固体导热很小。

而在高温区,辐射热传导对其热导率的贡献增加,因此必须通过降低辐射热传导使其热导率降低。以SiO2气凝胶为例,通过向其前驱体溶液内掺入TiO2、炭黑等红外遮光剂可使其热导率在高温下维持很低的水平。

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气凝胶毡常用于城市集中供热、冷库、天然气管道、中央空调管道保温、石油管道港口的保温保冷

3.声学性能

气凝胶多孔的网络结构使其具有超低的密度,因而使得声波在气凝胶内的传播速度与一般固态物质相比慢很多。例如声波在SiO2气凝胶内的传播速度可低至90m/s,而在石英玻璃内却高达5000m/s。此外,气凝胶内的声传播速度还与其弹性模量有关,因此通过测定气凝胶内的声传播速度还可研究其相关弹性性能。

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气凝胶作为声阻抗耦合材料

由于介质的声阻抗Z由介质密度ρ与声波在介质中的传播速度v共同决定(Z=ρv),因此通过调节气凝胶的密度可使其声阻抗在很大范围内发生变化,同时低声速的传播特性与超低密度又使气凝胶与其它固态材料相比声阻抗最小。这些独特的声学特性可以使气凝胶作为压电陶瓷与空气间的声阻抗耦合材料,从而提高声波的传播效率。

4.光学性能

气凝胶多孔的纳米网络结构使其具有独特的光学特性,例如通过调节碳气凝胶的孔洞结构可以制得“超级黑”材料。

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同济大学科研人员成功获得漫反射率仅为0.19%的超级黑材料

在众多气凝胶的种类中,人们对于SiO2气凝胶的光学性能研究最为深入。通常对于具有一定密度的SiO2气凝胶,构成其纳米网络结构的颗粒或团簇尺寸越小,越有利于其光学透明度的提高。SiO2气凝胶对红外及可见光的比消光系数之比可达100以上,与此同时其折射率可接近于1。这些独特的光学性能可使SiO2气凝胶有效透过太阳光并阻止热红外辐射,从而作为透明绝热材料被应用于太阳能集热器系统、建筑物智能窗等

5.电学性能

导电性能

碳气凝胶结合了碳材料本身的导电特性与气凝胶材料多孔的结构特性,是目前在电学领域中研究最为广泛的气凝胶材料,通常被用于超级电容器及锂离子电池电极材料的研究。当碳气凝胶被用于电极材料时,通常需要对其进行一些活化处理,例如CO2活化、KOH活化等,两种方法都可以进一步提高气凝胶的比表面积。

瑞典查默斯理工大学的研究人员不久前公开了一项锂硫电池的新成果,他们利用石墨烯气凝胶的多孔结构,使之吸收大量含硫丰富的电解质溶液,由于该区域内有足够高的“硫”密度,因此这种结合物可以在锂硫电池中充当独立电极,并允许硫在没有任何损失的情况下来回循环,也不会因为溶解而丢失。这一概念将有助于减轻电池的重量,并能提供更快的充电速度和更好的供电能力。

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实验中所使用电池的结构示意图

电容去离子技术是碳气凝胶在电学领域内的另一个重要应用。如下图所示,碳气凝胶优良的导电特性及巨大的孔隙率可使其被应用于海水淡化领域。通过后期将外接电源反接还可实现对碳气凝胶中阴阳离子的脱附,从而实现循环使用。

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碳气凝胶作为电容去离子技术的核心材料

介电性能

随着集成电路工艺向微型化的方向发展,电路器件的特征尺寸被要求不断减小,这将导致电路内部出现互连延迟、串扰及功率损耗增加等现象,从而使电路性能降低。气凝胶材料超高的孔隙率使其具有众多独特的介电性能,如超低的介电常数、超高的介电强度、在微波频域内具有很低的介电损耗等,因此使用SiO2气凝胶等具有低介电常数的介质材料可以有效解决上述问题。

6.吸附催化性能

气凝胶多孔的网络结构与超高的比表面积,使其与传统的多孔材料相比具有更优异的吸附催化性能,在污水处理及储氢等方面有很好的应用。此外,几乎所有具有催化性能的氧化物均可制成气凝胶,这将大大拓展气凝胶在催化领域的应用范围。

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污水处理

气凝胶比表面积的大小是衡量其吸附催化性能的重要指标。以RF有机气凝胶在吸附催化领域中的应用为例,通过向RF有机气凝胶内掺入氧化石墨烯纳米片,可大大降低其在碳化过程中的线性收缩率,从而得到具有高比表面积的石墨烯纳米片/碳复合气凝胶;实验表明该复合气凝胶对亚甲基蓝溶液具有更强的吸附能力,可被用作处理废水的吸附剂。

此外,通过对气凝胶进行复合或掺杂处理,还可进一步提升其催化性能。例如通过向TiO2气凝胶内复合适量的SiO2可增强其光催化性能,通过向Al2O3气凝胶内复合适量的ZrO2可显著提高其在低温下对NO气体的催化等性能。

 

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