气凝胶ppt课件
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9
➢气凝胶由一位美国化学家于1931年在打赌 时发明出来
➢早期的气凝胶非常易碎和昂贵，所以主要 在实验室里使用。
➢直到90年代前美国宇航局开始对这种物质 感兴趣，并让其发挥更为实际的用途，这 种材料终于走出了实验室。
10
最轻的固体
➢美国宇航局科学家研制出的一种气凝胶， 作为世界最轻的固体，正式入选吉尼斯世 界纪录。
24
隔音材料
✓ 由于硅气凝胶的低声速特性，它还是一种理想的 声学延迟或高温隔音材料。该材料的声阻抗可变 范围较大(103—107 kg／m2·s)，是一种较理想的 超声探测器的声阻耦合材料
✓ 初步实验结果表明，密度在300 kg／m3左右的硅 气凝胶作为耦合材料，能使声强提高30 dB，如果 采用具有密度梯度的硅气凝胶，可望得到更高的 声强增益。
✓ 硅气凝胶纤细的纳米网络结构有效地限制了局域热激发的 传播，其固态热导率比相应的玻璃态材料低2—3个数量级
✓ 纳米微孔洞抑制了气体分子对热传导的贡献。 ✓ 硅气凝胶的折射率接近l，而且对紫外和可见光的湮灭系
数之比达100以上，能有效地透过太阳光中的可见光部分， 并阻隔其中的紫外光部分，成为一种理想的透明隔热材料， 在太阳能利用和建筑物节能方面已经得到应用。 ✓ 通过掺杂的手段，可进一步降低硅气凝胶的辐射热传导， 常温常压下掺碳气凝胶的热导率可低达0．013w／m·K， 是目前热导率最低的固态材料，可望替代聚氨脂泡沫成为 新型冰箱隔热材料。 ✓ 掺人二氧化钛可使硅气凝胶成为新型高温隔热材料， 800K时的热导率仅为0．03w／m·K，作为军品配套新材 料将得到进一步发展。
21
军事用途
✓气凝胶作未来的防弹住宅和军用车辆装甲。 ✓在实验室中，一个涂有6毫米气凝胶的金属
板在炸药爆炸中几乎毫发无损。
22
日常生活
➢ 运动器材公司邓禄普(Dunlop)已经研制出一系列用气凝胶 加固的壁球和网球球拍，据说这种球拍能释放更大的力量
➢ 2001年，英国诺丁汉66岁的鲍勃·斯托克尔拥有了一套用 气凝胶隔热的房子，他也因此成为拥有这种房子的第一位 英国人。他说：“保温效果大大改善了。我把自动调温器 调低了5度。这真是一个不可思议的变化。”
7
气凝胶样品进行的表面形貌分析 8
➢ 气凝胶属于一种固体，但99%是由气体构成，外 观看起来像云一样。它有数百万小孔和皱摺，如 果把1立方厘米的气凝胶拆开，它会填满一个有足 球场那么大的地方。它的小孔不仅能像一块海绵 一样吸附污染物，还能充当气穴。
➢ 气凝胶内含大量的空气，典型的孔洞线度在l—l00 纳米范围，孔洞率在80%以上，是一种具有纳米 结构的多孔材料，在力学、声学、热学、光学等 诸方面均显示其独特性质。它们明显不同于孔洞 结构在微米和毫米量级的多孔材料，其纤细的纳 米结构使得材料的热导率极低，具有极大的比表 面积．对光、声的散射均比传统的多孔性材料小 得多，这些独特的性质不仅使得该材料在基础研 究中引起人们兴趣，而且在许多领域蕴藏着广泛 的应用前景。
32
18
19
➢1999年，美国宇航局给其“星 尘”(Stardust)号探测器装备了一种塞满气 凝胶的棒球手套，用于捕捉彗星尾部的尘 埃。
➢2000年，该探测器满载尘埃样本返回地球。 ➢2002年，美国宇航局创立的阿斯彭气凝胶
(Aspen Aerogel)公司生产了一种更坚固、 更柔韧的气凝胶。
20
气凝胶
Aerogel
1
固 体 烟
2
3
气 凝 胶 隔 热
4
5
6
干凝胶
➢当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含 量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状 结构中充满的介质是气体，外表呈固体状， 这即为干凝胶，也称为气凝胶。
➢气凝胶也具凝胶的性质，气凝胶的组成通 常是非晶的，例如，致密的石英是晶体， 但是二氧化硅气凝胶是非晶的，这有点像 是泡沫玻璃。
➢密度为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”。
11
➢ 新型气凝胶是由美国国家宇航局下属的“喷气推 进实验室”材料科学家Larry Hrubesh博士研制的。
➢ 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（高压釜）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体积的 99.8％。
OH
OH
OH
OH
HO Si O Si OH ＋ H2O
OH
OH
脱水 OH HO Si OH OH
OH HO Si O ＋ H2O
SiO2 ＋ 2H2O
工艺流程 14
➢常见的氧化硅气凝胶可以在绝对零度到 650℃的范围内使用，有些类型的气凝胶最 高能承受1400℃的高温。
➢非常坚固耐用。可以承受相当于自身质量 几千倍的压力
30
✓ 作为一种新型纳米多孔材料，除硅气凝胶外，已 研制的还有其它单元、二元或多元氧化物气凝胶、 有机气凝胶及碳气凝胶。
✓ 作为一种独特的材料制备手段，相关的工艺在其 它新材料研制中得到广泛应用，如制备气孔率极 高的多孔硅、制备高性能催化剂的金属—气凝胶 混合材料、高温超导材料、超细陶瓷粉末等。
31
➢美国国家宇航局的“星尘”号空间探测器 已经带着它在太空中完成了一项十分重要 的使命———收集彗星微粒。
17
➢彗星星尘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。
➢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。
➢ 2000年，一位英国登山者安妮·帕曼特尔穿上带气凝胶鞋 垫的靴子爬上珠穆朗玛峰，就连睡袋也加有这种材料。她 说：“我唯一的问题就是我的脚太热，这对一名登山者来 说是一个大难题。”
➢ Hugo Boss公司推出了一系列用这种材料制成的冬季夹克， 但在消费者纷纷抱怨这种衣服太热之后不得不下架。
23
隔热材料
气凝胶太空服
✓派宇航员登陆火星预定于2018年进行 ✓气凝胶正用来为人类首次登陆火星时所穿
的太空服研制一种保温隔热衬里 ✓Aspen Aerogel公司的一位资深科学家马
克·克拉耶夫斯基认为，一层18毫米的气凝 胶将足以保护宇航员抵御零下130度的低温。 他说：“它是我们所见过的最棒的绝热材 料。”
➢导热性和折射率也很低，热绝缘能力比最 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“勇气号”火星探测器都用 它来进行热绝缘。
15
16
➢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第一批彗星星尘 样品返回地球。
研究机构
✓ 德国的维尔茨堡大学、BASF公司 ✓ 美国的劳伦兹·利物莫尔国家实验室、桑迪亚国家
实验室，美国aspen公司，美国宇航局 ✓ 法国的蒙彼利埃材料研究中心 ✓ 日本高能物理国家实验室 ✓ 国内主要集中在同济大学波尔固体物理实验室、
国防科技大学、广东省英德市的埃力生亚太电子 有限公司，绍兴纳诺高科，山东科技大学等。
➢ 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。
12
水 聚合
前驱体
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
溶胶
凝胶
气凝胶形成示意图
气凝 胶
13
水解
OC2H5
H5C2O Si OC2H5 ＋ 4H2O
OC2H5
OH HO Si OH ＋ 4C2H5OH
OH
缩聚
OH
OH
HO Si OH ＋ HO Si OH
➢卡纳茨迪斯已经研制出一种新型气凝胶， 用于除去水中的铅和水银。某些形式的气 凝胶可吸附溢出的油。可以用它来处理一 些环境灾祸，象发生在1996年的Sea Empress号溢油事故，当时，72000吨原油 倾泻在英国彭布鲁克郡米尔福德港口沿岸。
27
储能
✓ 有机气凝胶经过烧结工艺处理后将得到碳气凝胶 这种导电的多孔材料是继纤维状活性碳以后发展 起来的一种新型碳素材料，它具有很大的比表面 积(800—1000 m2／g)和高电导率(10—25 s／ cm)．密度变化范围广(0.05—1.0 g／cm3)．如在 其微孔洞内充人适当的电解液，可以制成新型可 充电电池，它具有储电容量大、内阻小、重量轻、 充放电能力强、可多次重复使用等优异特性
✓ 初步实验结果表明：碳气凝胶的充电容量达 3×104／kg2，功率密度为7 kw／kg，反复充放电 性能良好。
28
非线性光学应用
✓ 在材料的量子尺寸效应研究方面，由于硅气凝胶 的纳米网络内形成量子点结构，化学气相渗透法 掺Si及溶液法掺C60的结果表明，掺杂剂是以纳米 晶粒的形式存在，并观察到很强的可见光发射， 为多孔硅的量子限制效应发光提供了有力证据。 利用硅气凝胶的结构以及C60的非线性光学效应， 可进一步研制新型激光防护镜。
✓ 通过掺杂的方法还是形成纳米复合相材料的有效 手段。
29
捕获高速粒子
✓ 硅气凝胶是折射率可调的材料，使用不同密度的 气凝胶介质作为切伦柯夫阀值探测器，可确定高 能粒子的质量和能量。
✓ 高速粒子很容易穿入多孔材料并逐步减速，实现 “软着陆”，如选用透明气凝胶在空间捕获高速 粒子，可用肉眼或显微镜观察被阻挡、捕获的粒 子。
25
过滤与催化
✓纳米结构的气凝胶还可作为新型气体过滤 ， 与其它材料不同的是该材料孔洞大小分布 均匀，气孔率高，是一种高效气体过滤材 料。
✓由于该材料特别大的比表而积．气凝胶在 作为新型催化剂或催化剂的载体方而亦有 广阔的应用前景。
26
吸附
➢它还有环保的优点。气凝胶被科学家们描 述为“终极海绵”，其表面的数百万小孔 使其成为在水中吸附污染物的理想材料。
➢气凝胶由一位美国化学家于1931年在打赌 时发明出来
➢早期的气凝胶非常易碎和昂贵，所以主要 在实验室里使用。
➢直到90年代前美国宇航局开始对这种物质 感兴趣，并让其发挥更为实际的用途，这 种材料终于走出了实验室。
10
最轻的固体
➢美国宇航局科学家研制出的一种气凝胶， 作为世界最轻的固体，正式入选吉尼斯世 界纪录。
24
隔音材料
✓ 由于硅气凝胶的低声速特性，它还是一种理想的 声学延迟或高温隔音材料。该材料的声阻抗可变 范围较大(103—107 kg／m2·s)，是一种较理想的 超声探测器的声阻耦合材料
✓ 初步实验结果表明，密度在300 kg／m3左右的硅 气凝胶作为耦合材料，能使声强提高30 dB，如果 采用具有密度梯度的硅气凝胶，可望得到更高的 声强增益。
✓ 硅气凝胶纤细的纳米网络结构有效地限制了局域热激发的 传播，其固态热导率比相应的玻璃态材料低2—3个数量级
✓ 纳米微孔洞抑制了气体分子对热传导的贡献。 ✓ 硅气凝胶的折射率接近l，而且对紫外和可见光的湮灭系
数之比达100以上，能有效地透过太阳光中的可见光部分， 并阻隔其中的紫外光部分，成为一种理想的透明隔热材料， 在太阳能利用和建筑物节能方面已经得到应用。 ✓ 通过掺杂的手段，可进一步降低硅气凝胶的辐射热传导， 常温常压下掺碳气凝胶的热导率可低达0．013w／m·K， 是目前热导率最低的固态材料，可望替代聚氨脂泡沫成为 新型冰箱隔热材料。 ✓ 掺人二氧化钛可使硅气凝胶成为新型高温隔热材料， 800K时的热导率仅为0．03w／m·K，作为军品配套新材 料将得到进一步发展。
21
军事用途
✓气凝胶作未来的防弹住宅和军用车辆装甲。 ✓在实验室中，一个涂有6毫米气凝胶的金属
板在炸药爆炸中几乎毫发无损。
22
日常生活
➢ 运动器材公司邓禄普(Dunlop)已经研制出一系列用气凝胶 加固的壁球和网球球拍，据说这种球拍能释放更大的力量
➢ 2001年，英国诺丁汉66岁的鲍勃·斯托克尔拥有了一套用 气凝胶隔热的房子，他也因此成为拥有这种房子的第一位 英国人。他说：“保温效果大大改善了。我把自动调温器 调低了5度。这真是一个不可思议的变化。”
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气凝胶样品进行的表面形貌分析 8
➢ 气凝胶属于一种固体，但99%是由气体构成，外 观看起来像云一样。它有数百万小孔和皱摺，如 果把1立方厘米的气凝胶拆开，它会填满一个有足 球场那么大的地方。它的小孔不仅能像一块海绵 一样吸附污染物，还能充当气穴。
➢ 气凝胶内含大量的空气，典型的孔洞线度在l—l00 纳米范围，孔洞率在80%以上，是一种具有纳米 结构的多孔材料，在力学、声学、热学、光学等 诸方面均显示其独特性质。它们明显不同于孔洞 结构在微米和毫米量级的多孔材料，其纤细的纳 米结构使得材料的热导率极低，具有极大的比表 面积．对光、声的散射均比传统的多孔性材料小 得多，这些独特的性质不仅使得该材料在基础研 究中引起人们兴趣，而且在许多领域蕴藏着广泛 的应用前景。
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19
➢1999年，美国宇航局给其“星 尘”(Stardust)号探测器装备了一种塞满气 凝胶的棒球手套，用于捕捉彗星尾部的尘 埃。
➢2000年，该探测器满载尘埃样本返回地球。 ➢2002年，美国宇航局创立的阿斯彭气凝胶
(Aspen Aerogel)公司生产了一种更坚固、 更柔韧的气凝胶。
20
气凝胶
Aerogel
1
固 体 烟
2
3
气 凝 胶 隔 热
4
5
6
干凝胶
➢当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含 量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状 结构中充满的介质是气体，外表呈固体状， 这即为干凝胶，也称为气凝胶。
➢气凝胶也具凝胶的性质，气凝胶的组成通 常是非晶的，例如，致密的石英是晶体， 但是二氧化硅气凝胶是非晶的，这有点像 是泡沫玻璃。
➢密度为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”。
11
➢ 新型气凝胶是由美国国家宇航局下属的“喷气推 进实验室”材料科学家Larry Hrubesh博士研制的。
➢ 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（高压釜）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体积的 99.8％。
OH
OH
OH
OH
HO Si O Si OH ＋ H2O
OH
OH
脱水 OH HO Si OH OH
OH HO Si O ＋ H2O
SiO2 ＋ 2H2O
工艺流程 14
➢常见的氧化硅气凝胶可以在绝对零度到 650℃的范围内使用，有些类型的气凝胶最 高能承受1400℃的高温。
➢非常坚固耐用。可以承受相当于自身质量 几千倍的压力
30
✓ 作为一种新型纳米多孔材料，除硅气凝胶外，已 研制的还有其它单元、二元或多元氧化物气凝胶、 有机气凝胶及碳气凝胶。
✓ 作为一种独特的材料制备手段，相关的工艺在其 它新材料研制中得到广泛应用，如制备气孔率极 高的多孔硅、制备高性能催化剂的金属—气凝胶 混合材料、高温超导材料、超细陶瓷粉末等。
31
➢美国国家宇航局的“星尘”号空间探测器 已经带着它在太空中完成了一项十分重要 的使命———收集彗星微粒。
17
➢彗星星尘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。
➢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。
➢ 2000年，一位英国登山者安妮·帕曼特尔穿上带气凝胶鞋 垫的靴子爬上珠穆朗玛峰，就连睡袋也加有这种材料。她 说：“我唯一的问题就是我的脚太热，这对一名登山者来 说是一个大难题。”
➢ Hugo Boss公司推出了一系列用这种材料制成的冬季夹克， 但在消费者纷纷抱怨这种衣服太热之后不得不下架。
23
隔热材料
气凝胶太空服
✓派宇航员登陆火星预定于2018年进行 ✓气凝胶正用来为人类首次登陆火星时所穿
的太空服研制一种保温隔热衬里 ✓Aspen Aerogel公司的一位资深科学家马
克·克拉耶夫斯基认为，一层18毫米的气凝 胶将足以保护宇航员抵御零下130度的低温。 他说：“它是我们所见过的最棒的绝热材 料。”
➢导热性和折射率也很低，热绝缘能力比最 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“勇气号”火星探测器都用 它来进行热绝缘。
15
16
➢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第一批彗星星尘 样品返回地球。
研究机构
✓ 德国的维尔茨堡大学、BASF公司 ✓ 美国的劳伦兹·利物莫尔国家实验室、桑迪亚国家
实验室，美国aspen公司，美国宇航局 ✓ 法国的蒙彼利埃材料研究中心 ✓ 日本高能物理国家实验室 ✓ 国内主要集中在同济大学波尔固体物理实验室、
国防科技大学、广东省英德市的埃力生亚太电子 有限公司，绍兴纳诺高科，山东科技大学等。
➢ 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。
12
水 聚合
前驱体
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
溶胶
凝胶
气凝胶形成示意图
气凝 胶
13
水解
OC2H5
H5C2O Si OC2H5 ＋ 4H2O
OC2H5
OH HO Si OH ＋ 4C2H5OH
OH
缩聚
OH
OH
HO Si OH ＋ HO Si OH
➢卡纳茨迪斯已经研制出一种新型气凝胶， 用于除去水中的铅和水银。某些形式的气 凝胶可吸附溢出的油。可以用它来处理一 些环境灾祸，象发生在1996年的Sea Empress号溢油事故，当时，72000吨原油 倾泻在英国彭布鲁克郡米尔福德港口沿岸。
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储能
✓ 有机气凝胶经过烧结工艺处理后将得到碳气凝胶 这种导电的多孔材料是继纤维状活性碳以后发展 起来的一种新型碳素材料，它具有很大的比表面 积(800—1000 m2／g)和高电导率(10—25 s／ cm)．密度变化范围广(0.05—1.0 g／cm3)．如在 其微孔洞内充人适当的电解液，可以制成新型可 充电电池，它具有储电容量大、内阻小、重量轻、 充放电能力强、可多次重复使用等优异特性
✓ 初步实验结果表明：碳气凝胶的充电容量达 3×104／kg2，功率密度为7 kw／kg，反复充放电 性能良好。
28
非线性光学应用
✓ 在材料的量子尺寸效应研究方面，由于硅气凝胶 的纳米网络内形成量子点结构，化学气相渗透法 掺Si及溶液法掺C60的结果表明，掺杂剂是以纳米 晶粒的形式存在，并观察到很强的可见光发射， 为多孔硅的量子限制效应发光提供了有力证据。 利用硅气凝胶的结构以及C60的非线性光学效应， 可进一步研制新型激光防护镜。
✓ 通过掺杂的方法还是形成纳米复合相材料的有效 手段。
29
捕获高速粒子
✓ 硅气凝胶是折射率可调的材料，使用不同密度的 气凝胶介质作为切伦柯夫阀值探测器，可确定高 能粒子的质量和能量。
✓ 高速粒子很容易穿入多孔材料并逐步减速，实现 “软着陆”，如选用透明气凝胶在空间捕获高速 粒子，可用肉眼或显微镜观察被阻挡、捕获的粒 子。
25
过滤与催化
✓纳米结构的气凝胶还可作为新型气体过滤 ， 与其它材料不同的是该材料孔洞大小分布 均匀，气孔率高，是一种高效气体过滤材 料。
✓由于该材料特别大的比表而积．气凝胶在 作为新型催化剂或催化剂的载体方而亦有 广阔的应用前景。
26
吸附
➢它还有环保的优点。气凝胶被科学家们描 述为“终极海绵”，其表面的数百万小孔 使其成为在水中吸附污染物的理想材料。