氣凝膠的應用與探討

氣凝膠（aerogels）與(yu) 幹凝膠（xerogels）並非同一概念，國外相關(guan) 文獻指出，濕凝膠經過超臨(lin) 界幹燥得到的是氣凝膠，經過常壓幹燥得到的是幹凝膠。嚴(yan) 格講，氣凝膠應是塊狀結構，而幹凝膠一般是粉體(ti) 或者顆粒。

氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量，有時也被稱為(wei) “固態煙”或“凍住的煙”。這種新材料看似脆弱不堪，其實非常堅固耐用，不同成份的氣凝膠可以承受不同的溫度，常見的氧化矽氣凝膠可以在零度到650℃的範圍內(nei) 使用，有些類型的氣凝膠高能承受1400℃的高溫。氣凝膠的這些特性在航天探測上有多種用途。俄羅斯“和平”號空間站和美國“勇氣號”火星探測器上，都用到了氣凝膠材料。

不同氣凝膠的製備方法也不相同。但是其製備曆程大同小異，一般是采用溶膠-凝膠法製備濕凝膠（wet gel），濕凝膠經溶劑置換和超臨(lin) 界工作得到相應的氣凝膠。

(1)孔隙率很高，可高達99.8%；科學家們(men) 表示，因為(wei) 它有數百萬(wan) 小孔和皺摺，所以如果把1立方厘米的氣凝膠拆開，它會(hui) 填滿一個(ge) 有足球場那麽(me) 大的地方。它的小孔不僅(jin) 能像一塊海綿一樣吸附汙染物，還能充當氣穴。一些形式的由鉑金製成的氣凝膠能用於(yu) 加速水解及氫的產(chan) 生。這樣的話，氣凝膠就能用來生產(chan) 以氫為(wei) 基礎的燃料。

(2)納米級別孔洞(~20nm)和三維納米骨架顆粒(2~5nm)；

(3) 高比表麵積，可高達1000m2/g；

(4) 低密度，可低至0.003g/cm3。

(5)氣凝膠*的結構決(jue) 定了其具有極低的熱導率，常溫下可以低至0.013W/(m•K)，比空氣的導熱係數還低。

(6)強度低，脆性大，由於(yu) 其比表麵積和孔隙率很大，密度很低，導致其強度很低。如SiO2氣凝膠楊氏模量不到10MPa，抗拉強度隻有16KPa，斷裂韌度隻有0.8kPa•m1/2

1.超級絕熱材料

材料的熱傳(chuan) 導由氣態傳(chuan) 導、固態傳(chuan) 導和熱輻射傳(chuan) 導決(jue) 定。由於(yu) 氣凝膠材料具有納米多孔結構,因此常壓下氣態熱導率λg很小,真空下熱傳(chuan) 導由固態傳(chuan) 導和熱輻射傳(chuan) 導決(jue) 定。同玻璃態材料相比,納米多孔材料由於(yu) 高孔隙限製了稀疏骨架中鏈的局部激發的傳(chuan) 播,使得固態熱導率λs僅(jin) 為(wei) 非多孔玻璃態材料熱導率的1/500左右。Nilsson等檢測室溫下氣凝膠熱導率為(wei) 0.013~0.016W/(m•K),靜態空氣的熱導率為(wei) 0.024W/(m•K),即使在800℃的高溫下其導熱係數才為(wei) 0.043W/(m•K),是目前隔熱性能好的固態材料。

（1）太陽能熱水器

太陽能熱水器及其他集熱裝置的保溫成了能否進一步提高太陽能裝置的能源利用率和進一步提高其實用性的關(guan) 鍵因素。將納米孔超級絕熱材料應用於(yu) 熱水器的儲(chu) 水箱、管道和集熱器，將比現有太陽能熱水器的集熱效率提高1倍以上，而熱損失下降到現有水平的30%以下。

（2）在熱電池上應用

可延長熱電池的工作壽命,防止生成的熱影響熱電池周圍的元器件。

（3）軍(jun) 事及航天領域

與(yu) 傳(chuan) 統絕熱材料相比，納米孔氣凝膠超級絕熱材料可以用更輕的質量、更小的體(ti) 積達到等效的隔熱效果。這一特點使其在航空、航天應用領域具有舉(ju) 足輕重的優(you) 勢。如果用作航空發動機的隔熱材料，既起到了隔熱作用，又減輕了發動機的重量。作為(wei) 外太空探險工具和交通工具上的超級絕熱材料也有很好的應用前景。

凝膠在航天中的應用遠不止這些，美國宇航局的“星塵”號空間探測器已經帶著它在太空中完成了一項十分重要的使命———收集彗星微粒。星塵號上的氣凝膠方陣科學家認為(wei) ，彗星微粒中包含著太陽係中原始、古老的物質，研究它可以幫助人類更清楚地了解太陽和行星的曆史。2006年，“星塵”號飛船將帶著人類獲得的批彗星星塵樣品返回地球。

但收集彗星星塵並不是件容易的事，它的速度相當快，盡管體(ti) 積比沙粒還要小，可是當它以如此高速接觸其它物質時，自身的物理和化學組成都有可能發生改變，甚至*被蒸發。如今科學家有了氣凝膠，這個(ge) 問題就變得很簡單了。它就像一個(ge) 極其柔軟的棒球手套，可以輕輕地消減彗星星塵的速度，使它在滑行一段相當於(yu) 自身長度200倍的距離後慢慢停下來。在進入“氣凝膠手套”後，星塵會(hui) 留下一段胡蘿卜狀的軌跡，由於(yu) 氣凝膠幾乎是透明的，科學家可以按照軌跡輕鬆地找到這些微粒。

（4）工業(ye) 及建築絕熱領域

在工業(ye) 及民用領域納米孔超級絕熱材料有著廣泛的應用價(jia) 值。首先,在電力、石化、化工、冶金、建材行業(ye) 以及其他工業(ye) 領域，熱工設備普遍存在。工業(ye) 節能中,納米孔超級絕熱材料也起著非常重要的作用,其中有些特殊的部位和環境，由於(yu) 受重量、體(ti) 積或空間的限製,急需的超級絕熱材料。

2.在催化劑以及催化載體(ti) 方麵的應用

氣凝膠是一種由超微粒子組成的固體(ti) 材料,具有小粒徑、高比表麵積和低密度等特點,使SiO2氣凝膠催化劑的活性和選擇性遠遠高於(yu) 常規催化劑,而且它還可以有效減少副反應的發生。Kister製備出SiO2氣凝膠後不久就指出，氣凝膠因其高的孔隙率、比表麵積和開放的織態結構,在催化劑和催化載體(ti) 方麵具有潛在的應用價(jia) 值，但因小的熱導率和低的滲透性影響了氣凝膠在催化反應中的傳(chuan) 熱和傳(chuan) 質，使其應用受到限製。

3.在其它方麵的應用

SiO2氣凝膠具有*的比表麵積和孔隙率,近年來被廣泛應用於(yu) Cerenkov探測器中,以探測高能帶電粒子和在太空中捕集隕石微粒的介質材料。SiO2氣凝膠也曾一度被用於(yu) 等離子體(ti) 研究中作為(wei) 慣性限製熔融試驗體(ti) 目標組分。因其具有低的表觀密度和熱導率,耐高溫性能,氣凝膠作為(wei) 隔熱消音材料很有前途。

由輕原子量元素組成的低密度、微孔分布均勻的SiO2氣凝膠對氖具有良好的吸附性能,因而為(wei) 慣性約束聚變實驗研製高增益靶提供了一個(ge) 新途徑,這對於(yu) 利用受控熱核聚變反應來獲得廉價(jia) 、清潔的能源具有重要意義(yi) 。

4.氣凝膠在日常生活中的應用

氣凝膠也正走進我們(men) 的日常生活。運動器材公司鄧祿普(Dunlop)已經研製出一係列用氣凝膠加固的壁球和網球球拍，據說這種球拍能釋放更大的力量。今年初，英國諾丁漢66歲的鮑勃•斯托克爾擁有了一套用氣凝膠隔熱的房子，他也因此成為(wei) 擁有這種房子的位英國人。他說：“保溫效果大大改善了。我把自動調溫器調低了5度。這真是一個(ge) 不可思議的變化。”

登山者也開始從(cong) 氣凝膠中受益。去年，一位英國登山者安妮•帕曼特爾穿上帶氣凝膠鞋墊的靴子爬上珠穆朗瑪峰，就連睡袋也加有這種材料。她說：“我的問題就是我的腳太熱，這對一名登山者來說是一個(ge) 大難題。”

不過，它還沒能征服時尚界。Hugo Boss公司推出了一係列用這種材料製成的冬季夾克，但在消費者紛紛抱怨這種衣服太熱之後不得不下架。

在環境保護及化學工業(ye) 方麵，納米結構的氣凝膠還可作為(wei) 新型氣體(ti) 過濾 ，與(yu) 其它材料不同的是該材料孔洞大小分布均勻，氣孔率高，是一種氣體(ti) 過濾材料。由於(yu) 該材料特別大的比表而積．氣凝膠在作為(wei) 新型催化劑或催化劑的載體(ti) 方而亦有廣闊的應用前景。

5.在電化學方麵的應用

在儲(chu) 能器件方而，有機氣凝膠經過燒結工藝處理後將得到碳氣凝膠 這種導電的多孔材料是繼纖維狀活性碳以後發展起來的一種新型碳素材料，它具有很大的比表麵積(600—1000 m2／g)和高電導率(10~25 s／cm)．而目．密度變化範圍廣(0.05~1.0 g／cm3)．如在其微孔洞內(nei) 充人適當的電解液，可以製成新型可充電電池，它具有儲(chu) 電容量大、內(nei) 阻小、重量輕、充放電能力強、可多次重複使用等優(you) 異特性，初步實驗結果表明：碳氣凝膠的充電容量達3×104／kg2，功率密度為(wei) 7 kw／kg，反複充放電性能良好。

6.儲(chu) 氫材料

氫能具有很高的熱值，燃燒釋能後的產(chan) 物是水，對環境無汙染，此外，氫能為(wei) 可再生能源，不會(hui) 枯竭，因而被譽為(wei) 21世紀的綠色新能源。美國Lawrence Livermore實驗室和伊利諾斯大學研究表明：炭氣凝膠具有高比表麵積、低密度、連續的網絡結構且孔洞尺寸很小又與(yu) 外界相通，具有優(you) 良的吸、放氫性能。美國能源部於(yu) 2005年專(zhuan) 門設立了機構，研究摻雜金屬的炭氣凝膠貯氫，並給予財政資助。

7.氣體(ti) 或者液體(ti) 吸附

氣凝膠還可以用作吸附材料，不如吸附CO2氣體(ti) ，吸附一些化學有毒蒸汽，吸附廢水等。