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號稱“最輕固體”的氣凝膠,還有很多值得了解的潛力!
2019年05月28日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:359
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氣凝膠是一種孔洞率可高達80%~99.8%的納米多孔材料,其比表面積可達到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率(0.01~0.02W/(m·K))等特點,是目前公認熱導率最低的固體材料。

上為鮮花下為火焰,這大概是氣凝膠最常見的出場方式

(圖:Thoisoi2 - Chemical Experiments!)

不過若你對氣凝膠的印象僅固定在此,那就有點可惜了。由于超高的孔隙率,氣凝膠在力學、熱學、電學、光學、聲學等方面均表現出獨特的性能,例如一般固態材料所不具有的低折射率、低熱導率、低聲阻抗等物理特性。具體這些特性能為氣凝膠材料的應用帶來什么前景,且看下文分析。

1.力學性能

由于氣凝膠超高孔隙率的原因,它在力學性能表現出了高度脆性及易碎的特點。外媒上曾有科普愛好者上傳了氣凝膠的制備及其性能測試過程的視頻,從下方動圖便能發現,通過一般手法制備的氣凝膠確實是比較“脆弱”。

普通氣凝膠只需要手指便能捏碎

(圖:Thoisoi2 - Chemical Experiments!)

與無機氣凝膠相比,一些有機及碳基氣凝膠具有更優異的力學性能,例如聚酰亞胺氣凝膠、纖維素氣凝膠、殼聚糖氣凝膠等。雖然低強度氣凝膠一樣可以在保溫材料等領域得到應用,但若能改進其力學性能,無機氣凝膠的應用必能得到更大的發展空間。目前,提升無機氣凝膠的力學性能主要從以下3個層面展開。

①從宏觀層面出發,以纖維作為基材與無機氣凝膠進行復合可顯著提升復合氣凝膠的彈性性能,該方法對于SiO2氣凝膠、TiO2氣凝膠、Al2O3氣凝膠等眾多無機氣凝膠均適用。

②從粒子層面出發,通過將無機氣凝膠與一些有機化合物進行復合,如異氰酸酯、環氧樹脂、聚苯乙烯等,可增強無機氣凝膠的骨架結構,從而提升其力學性能。

③從分子層面出發,使用含有不同有機取代基的前驅體可對無機氣凝膠的力學性能進行改善,該方法目前被廣泛應用于硅系氣凝膠的制備;通過向前驅體內引入甲基等不同的有機取代基,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。

楊杰等對玻璃纖維增強二氧化硅氣凝膠膠與防彈纖維、SiC /Al 復合材料和陶瓷組成的復合靶板進行靶試試驗。結果表明: 當防彈纖維后面加上氣凝膠夾層后,強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展空間,復合靶板吸收彈頭動能的能力大幅提高,同時可以有效防止彈頭的非貫穿性傷害。

復合材料/氣凝膠復合靶板的抗侵徹能力的靶試試驗

此外,2006年美國NASA報道通過使用密度呈梯度變化的SiO2氣凝膠材料成功實現了高速彗星塵埃粒子的捕獲——氣凝膠在這里起到的作用就像一個網兜子,速度高達6000米/s的 高速粒子會從低密度的一端進入氣凝膠,通過在氣凝膠內進行無損減速,最終可以在高密度的一端實現了“軟著陸”,最終這些收集而來的彗星星塵可以更好地幫助人類了解太陽和行星的歷史。

帶有氣凝膠樣品采集器的“星塵號”太空艙返回地球

2.熱學性能

在多孔材料中,熱量的傳輸主要有四個途徑,即固體導熱、氣體導熱、氣體對流傳熱以及輻射傳熱。由于氣凝膠具有納米孔隙結構,因此其傳熱機理與傳統的多孔隔熱材料有所不同,如表所示。

固體導熱是材料內部微觀粒子的熱運動產生的熱量傳遞。與一般的隔熱材料相比,由于氣凝膠的骨架顆粒直徑小,導致顆粒之間的接觸面積也很小,熱量傳遞通路復雜。形象地來講,固體導熱在一般隔熱材料中可以說走的是平坦順暢的“高速公路”,而在氣凝膠中走的是曲曲折折的“羊腸小道”。因此,固體導熱很小。

而在高溫區,輻射熱傳導對其熱導率的貢獻增加,因此必須通過降低輻射熱傳導使其熱導率降低。以SiO2氣凝膠為例,通過向其前驅體溶液內摻入TiO2、炭黑等紅外遮光劑可使其熱導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、天然氣管道、中央空調管道保溫、石油管道港口的保溫保冷

3.聲學性能

氣凝膠多孔的網絡結構使其具有超低的密度,因而使得聲波在氣凝膠內的傳播速度與一般固態物質相比慢很多。例如聲波在SiO2氣凝膠內的傳播速度可低至90 m/s,而在石英玻璃內卻高達5000 m/s。此外,氣凝膠內的聲傳播速度還與其彈性模量有關,因此通過測定氣凝膠內的聲傳播速度還可研究其相關彈性性能。

氣凝膠作為聲阻抗耦合材料

由于介質的聲阻抗Z由介質密度ρ與聲波在介質中的傳播速度v共同決定(Z=ρv),因此通過調節氣凝膠的密度可使其聲阻抗在很大范圍內發生變化,同時低聲速的傳播特性與超低密度又使氣凝膠與其它固態材料相比聲阻抗最小。這些獨特的聲學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.光學性能

氣凝膠多孔的納米網絡結構使其具有獨特的光學特性,例如通過調節碳氣凝膠的孔洞結構可以制得“超級黑”材料。

同濟大學科研人員成功獲得漫反射率僅為0.19%的超級黑材料

在眾多氣凝膠的種類中,人們對于SiO2氣凝膠的光學性能研究最為深入。通常對于具有一定密度的SiO2氣凝膠,構成其納米網絡結構的顆粒或團簇尺寸越小,越有利于其光學透明度的提高。SiO2氣凝膠對紅外及可見光的比消光系數之比可達100以上,與此同時其折射率可接近于1。這些獨特的光學性能可使SiO2氣凝膠有效透過太陽光并阻止熱紅外輻射,從而作為透明絕熱材料被應用于太陽能集熱器系統、建筑物智能窗等

5.電學性能

導電性能

碳氣凝膠結合了碳材料本身的導電特性與氣凝膠材料多孔的結構特性,是目前在電學領域中研究最為廣泛的氣凝膠材料,通常被用于超級電容器及鋰離子電池電極材料的研究。當碳氣凝膠被用于電極材料時,通常需要對其進行一些活化處理,例如CO2活化、KOH活化等,兩種方法都可以進一步提高氣凝膠的比表面積。

瑞典查默斯理工大學的研究人員不久前公開了一項鋰硫電池的新成果,他們利用石墨烯氣凝膠的多孔結構,使之吸收大量含硫豐富的電解質溶液,由于該區域內有足夠高的“硫”密度,因此這種結合物可以在鋰硫電池中充當獨立電極,并允許硫在沒有任何損失的情況下來回循環,也不會因為溶解而丟失。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。

實驗中所使用電池的結構示意圖

電容去離子技術是碳氣凝膠在電學領域內的另一個重要應用。如下圖所示,碳氣凝膠優良的導電特性及巨大的孔隙率可使其被應用于海水淡化領域。通過后期將外接電源反接還可實現對碳氣凝膠中陰陽離子的脫附,從而實現循環使用。

碳氣凝膠作為電容去離子技術的核心材料

介電性能

隨著集成電路工藝向微型化的方向發展,電路器件的特征尺寸被要求不斷減小,這將導致電路內部出現互連延遲、串擾及功率損耗增加等現象,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特的介電性能,如超低的介電常數、超高的介電強度、在微波頻域內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的介質材料可以有效解決上述問題。

6.吸附催化性能

氣凝膠多孔的網絡結構與超高的比表面積,使其與傳統的多孔材料相比具有更優異的吸附催化性能,在污水處理及儲氫等方面有很好的應用。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域的應用范圍。

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。以RF有機氣凝膠在吸附催化領域中的應用為例,通過向RF有機氣凝膠內摻入氧化石墨烯納米片,可大大降低其在碳化過程中的線性收縮率,從而得到具有高比表面積的石墨烯納米片/碳復合氣凝膠;實驗表明該復合氣凝膠對亞甲基藍溶液具有更強的吸附能力,可被用作處理廢水的吸附劑。

此外,通過對氣凝膠進行復合或摻雜處理,還可進一步提升其催化性能。例如通過向TiO2氣凝膠內復合適量的SiO2可增強其光催化性能,通過向Al2O3氣凝膠內復合適量的ZrO2可顯著提高其在低溫下對NO氣體的催化等性能。

資料來源:

氣凝膠材料及其應用,張澤,王曉棟,吳宇,鄒文兵,吳學玲,沈軍。

氣凝膠——高超聲速飛行器未來的“防火服”,楊海龍,吳文軍,徐云輝,李俊寧,胡子君。

以氣凝膠為夾層的復合結構抗彈性能研究,楊杰,李樹奎,王富恥。

Aerogel - The LIGHTEST MATERIAL ON EARTH! - YouTube

氣凝膠材料力學性能增強方法研究進展,楊剛,姜勇剛,馮堅,馮軍宗。

粉體圈 作者:小榆


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