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纳米气凝胶

天津纳米气凝胶毡

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  气凝胶是一种固体物质形态,世界上密度最小的固体。密度为3千克每立方米。一般常见的气凝胶为硅气凝胶,其最早由美国科学工作者Kistler在1931年因与其友打赌制得。气凝胶的种类很多,有硅系,碳系,硫系,金属氧化物系,金属系等等。aerogel是个组合词,此处aero是形容词,表示飞行的,gel显然是凝胶。字面意思是可以飞行的凝胶。任何物质的gel只要可以经干燥后除去内部溶剂后,又可基本保持其形状不变,且产物高孔隙率、低密度,则皆可以称之为气凝胶。

  因为密度极低,最轻的气凝胶仅有0.16毫克每立方厘米,比空气密度略低,所以也被叫做“冻结的烟”或“蓝烟”。由于里面的颗粒非常小(纳米量级),所以可见光经过它时散射较小(瑞利散射),就像阳光经过空气一样。因此,它也和天空一样看着发蓝(如果里面没有掺杂其它东西),如果对着光看有点发红。(天空是蓝色的,而傍晚的天空是红色的)。由于气凝胶中一般80%以上是空气,所以有非常好的隔热效果,一寸厚的气凝胶相当20至30块普通玻璃的隔热功能。即使把气凝胶放在玫瑰与火焰之间,玫瑰也会丝毫无损。气凝胶在航天探测上也有多种用途,在俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”的探测器上都有用到这种材料。气凝胶也在粒子物理实验中,使用来作为切连科夫效应的探测器。位在高能加速器研究机构B介子工厂的Belle实验探测器中一个称为气凝胶切连科夫计数器(Aerogel Cherenkov Counter,ACC)的粒子鉴别器,就是一个最新的应用实例。这个探测器利用的气凝胶的介于液体与气体之低折射系数特性,还有其高透光度与固态的性质,优于传统使用低温液体或是高压空气的作法。同时,其轻量的性质也是优点之一。[2]

  特性

  气凝胶,作为世界最轻的固体,已入选吉尼斯世界纪录。这种新材料密度仅为3.55千克每立方米,仅为空气密度的2.75倍;干燥的松木密度(500千克每立方米)是它的140倍。这种物质看上去像凝固的烟,但它的成分与玻璃相似。由于它的密度极小,用于航空航天方面非常合适。美宇航局喷气推进实验室,该实验室琼斯博士研制出的新型气凝胶,主要由纯二氧化硅等组成。在制作过程中,液态硅化合物首先与能快速蒸发的液体溶剂混合,形成凝胶,然后将凝胶放在一种类似加压蒸煮器的仪器中干燥,并经过加热和降压,形成多孔海绵状结构。琼斯博士最终获得的气凝胶中空气比例占到了99.8%。

  气凝胶因其半透明的色彩和超轻重量,有时也被称为“固态烟”或“冻住的烟”。这种新材料看似脆弱不堪,其实非常坚固耐用,更高能承受1400摄氏度的高温。气凝胶的这些特性在航天探测上有多种用途。俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”探测器上,都用到了气凝胶材料。

  美国宇航局研制出的一种新型气凝胶,由于密度只有每立方厘米3毫克,日前已经作为“世界上密度更低的固体”正式入选《吉尼斯世界纪录》。

  这种气凝胶呈半透明淡蓝色,重量极轻,因此人们也把它称为“固态烟”。新型气凝胶是由美国宇航局下属的“喷气推进实验室”材料科学家史蒂芬·琼斯博士研制的。它的主要成分和玻璃一样也是二氧化硅,但因为它99.8%都是空气,所以密度只有玻璃的千分之一。

  气凝胶貌似“弱不禁风”,其实非常坚固耐用。它可以承受相当于自身质量几千倍的压力,在温度达到1200摄氏度时才会熔化。此外它的导热性和折射率也很低,绝缘能力比更好的玻璃纤维还要强39倍。由于具备这些特性,气凝胶便成为航天探测中不可替代的材料,俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”探测器都用它来进行热绝缘。

  气凝胶在航天中的应用远不止这些,美国宇航局的“星尘”号飞船正带着它在太空中执行一项十分重要的使命———收集彗星微粒。科学家认为,彗星微粒中包含着太阳系中最原始、最古老的物质,研究它可以帮助人类更清楚地了解太阳和行星的历史。2006年,“星尘”号飞船将带着人类获得的批彗星星尘样品返回地球。

  但收集彗星星尘并不是件容易的事,它的速度相当于步枪子弹的6倍,尽管体积比沙粒还要小,可是当它以如此高速接触其它物质时,自身的物理和化学组成都有可能发生改变,甚至完全被蒸发。如今科学家有了气凝胶,这个问题就变得很简单了。它就像一个极其柔软的棒球手套,可以轻轻地消减彗星星尘的速度,使它在滑行一段相当于自身长度200倍的距离后慢慢停下来。在进入“气凝胶手套”后,星尘会留下一段胡萝卜状的轨迹,由于气凝胶几乎是透明的,科学家可以按照轨迹轻松地找到这些微粒。

  制备方法

  气凝胶最初是由S.Kistler命名,由于他采用超临界干燥方法成功制备了二氧化硅气凝胶,故将气凝胶定义为:湿凝胶经超临界干燥所得到的材料,称之为气凝胶。在90年代中后期,随着常压干燥技术的出现和发展,90年代中后期普遍接受的气凝胶的定义是:不论采用何种干燥方法,只要是将湿凝胶中的液体被气体所取代,同时凝胶的网络结构基本保留不变,这样所得的材料都称为气凝胶。气凝胶的结构特征是拥有高通透性的圆筒形多分枝纳米多孔三位网络结构,拥有极高孔洞率、极低的密度、高比表面积、超高孔体积率,其体密度在0.003-0.500 g/cm-3范围内可调。(空气的密度为0.00129 g/cm-3)。

  气凝胶的制备通常由溶胶凝胶过程和超临界干燥处理构成。在溶胶凝胶过程中,通过控制溶液的水解和缩聚反应条件,在溶体内形成不同结构的纳米团簇,团簇之间的相互粘连形成凝胶体,而在凝胶体的固态骨架周围则充满化学反应后剩余的液态试剂。为了防止凝胶干燥过程中微孔洞内的表面张力导致材料结构的破坏,采用超临界干燥工艺处理,把凝胶置于压力容器中加温升压,使凝胶内的液体发生相变成超临界态的流体,气液界面消失,表面张力不复存在,此时将这种超临界流体从压力容器中释放,即可得到多孔、无序、具有纳米量级连续网络结构的低密度气凝胶材料。


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