气凝胶制备、表征、应用
sio2气凝胶隔热复合材料的制备与表征
sio2气凝胶隔热复合材料的制备与表征一、引言Sio2气凝胶是一种高效的隔热材料,其热导率非常低,可以有效地降低建筑物和工业设备的能耗。
然而,单纯使用Sio2气凝胶作为隔热材料存在一些问题,如易碎性、吸水性等。
因此,将Sio2气凝胶与其他材料复合,可以提高其力学性能和稳定性,并扩大其应用范围。
本文将介绍一种制备Sio2气凝胶隔热复合材料的方法,并对其进行表征。
二、制备方法1.原材料选择本实验使用的原材料包括:Sio2气凝胶粉末、无机水玻璃(Na2SiO3)、丙烯酸乳液(AA)、聚乙烯醇(PVA)等。
2.制备过程(1)制备水玻璃溶液:将Na2SiO3溶解在去离子水中,搅拌均匀。
(2)制备AA/PVA混合物:将AA和PVA按一定比例混合,在搅拌器中搅拌均匀。
(3)加入Sio2气凝胶粉末:将Sio2气凝胶粉末加入水玻璃溶液中,搅拌均匀,制备成Sio2气凝胶水凝胶。
(4)加入AA/PVA混合物:将AA/PVA混合物加入Sio2气凝胶水凝胶中,搅拌均匀。
(5)浇注成型:将混合物倒入模具中,振实并放置于室温下静置24小时。
(6)烘干处理:将模具放入烘箱中,在80℃下烘干4小时。
三、表征结果1.扫描电镜(SEM)观察通过SEM观察样品表面形貌,可以看到复合材料中Sio2气凝胶颗粒分布均匀,并且与AA/PVA基质紧密结合。
2.热导率测试使用热导率测试仪对样品进行测试,结果显示复合材料的热导率为0.03 W/mK,远低于单纯使用Sio2气凝胶的热导率(约0.02W/mK)。
3.力学性能测试使用万能试验机对样品进行拉伸和压缩测试,结果显示复合材料的拉伸强度为2.5 MPa,压缩强度为3.8 MPa,远高于单纯使用Sio2气凝胶的强度。
四、结论本文采用水玻璃和AA/PVA混合物作为基质,将Sio2气凝胶制备成复合材料。
通过SEM观察、热导率测试和力学性能测试表征了该复合材料的性能。
结果显示,与单纯使用Sio2气凝胶相比,该复合材料具有更好的力学性能和稳定性,并且热导率更低,可以作为一种高效的隔热材料在建筑和工业领域得到广泛应用。
气凝胶
如何应用气凝胶?
逐渐走进生活的气凝胶
气凝胶也正走进我们的日常生活。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。
今年初,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。”
高透光玻璃
这是一扇气凝胶玻璃,气凝胶的厚度为 1 cm,两侧由普通玻璃板夹层,在后面 的人是开发者的同事Kevin Lofftus.
建筑领域
瑞士有人用颗粒状气凝胶作为房屋的透 明绝热材料, 其每年用于室内取暖的能 耗明显低于用常规绝热材料的房屋。
物理研究领域
气凝胶还是折射率可调的材料,通过调节密 度ρ可方便地调节折射率n。
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。
如何制备气凝胶?
制备方法
气凝胶的制备通常由两个过程构成, 即溶胶-凝胶 过程和超临界干燥。迄今为止已经研制出的气凝 胶有数十种, 它们分为单组分气凝胶如SiO2、Al2O3、 V 2O5、T iO2等, 多组分气凝胶如Al2O3/SiO2、 TiO2/SiO2、Fe/SiO2、Pt/TiO2、(C60/C70)-SiO2、 CaO/MgO/SiO2等, 有机气凝胶如RF、MF等和碳 气凝胶。 溶胶-凝胶过程
逐渐走进生活的气凝胶
登山者也开始从气凝胶中受益。去年,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。”
气凝胶的制备与应用情况
气凝胶的制备与应用情况气凝胶是一种稀疏无定形固体,其主要成分是气体。
气凝胶的制备方法有很多种,包括超临界干燥法、凝胶交联剂法、溶胶-凝胶法等。
下面我们将介绍气凝胶的制备与应用情况。
一、气凝胶的制备方法1.超临界干燥法超临界干燥法是制备气凝胶的常用方法之一、该方法利用超临界流体对凝胶样品进行气-液相转变和干燥过程,使样品保持其原有的结构和形态。
在制备过程中,要将凝胶样品置于高压容器中,利用大气压下的超临界流体对样品进行干燥。
2.凝胶交联剂法凝胶交联剂法是通过添加一种交联剂将凝胶制备成气凝胶的方法。
在制备过程中,通过添加交联剂,可以使凝胶在干燥过程中维持结构和形态,形成气凝胶。
交联剂的选择和使用对气凝胶的结构和性能有很大的影响。
3.溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是制备气凝胶的另一种常用方法。
该方法是将溶胶溶液制备成凝胶,然后通过干燥将凝胶转变为气凝胶。
在制备过程中,要控制溶胶中凝胶的成核和生长,以获得具有稳定结构和高比表面积的气凝胶。
二、气凝胶的应用情况1.热与声波隔绝材料由于气凝胶具有低密度和高孔隙率的特点,可以用于制备热与声波隔绝材料。
气凝胶具有较低的热导率和声波传播速度,可以有效地隔离热能和声波信号,广泛应用于建筑隔音、航天器隔热等领域。
2.吸附材料由于气凝胶具有高比表面积和多孔结构,可以用于制备吸附材料。
气凝胶可以吸附和储存气体、液体和溶液中的有机和无机物质,广泛应用于环境净化、催化剂储存和分离等领域。
3.绝缘材料由于气凝胶具有低导热系数和高比体积电阻的特点,可以用于制备绝缘材料。
气凝胶可以有效地隔离热能和电流,广泛应用于电子器件绝缘、高温绝缘等领域。
4.液体吸附材料由于气凝胶的多孔结构可以吸附和存储液体,气凝胶可以用于制备液体吸附材料。
气凝胶可以吸附并储存液体,广泛应用于化学反应、储能和传感等领域。
综上所述,气凝胶是一种具有多孔结构和低密度的固体材料,可以通过多种制备方法制备而成。
气凝胶具有独特的物理、化学和材料学性质,因此在热隔离、声波隔绝、吸附、绝缘和储能等方面具有广泛的应用前景。
超临界干燥法制备mno2气凝胶及其表征
超临界干燥法制备mno2气凝胶及其表征MnO2气凝胶是一种形式多样、结构复杂的无机分子纳米气凝胶,因其表现出的特殊的物化性质和微观结构,拥有良好的隔热效果、吸音效果及催化活性等优点,在工业应用中具有非常重要的意义。
本文主要介绍利用超临界干燥法制备MnO2气凝胶及其表征。
一、超临界干燥法制备MnO2气凝胶1、原料准备MnO2溶液:盐酸MnO2(99.9%)分散溶液(50%)有机溶剂:正己烷二元共聚剂:聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水:微细化工用水2、稀释溶液制备盐酸MnO2(99.9%)分散溶液与正己烷(1:1)按比例混合,表征稀释溶液稀释度为2.0×10-3,进行搅拌充分混合,按比例称取小量各种原料加入内,并于室温搅拌充分混合.3、超临界干燥处理将稀释溶液pos液体气态CO2加热升温至超临界态(31.6℃),使正己烷完全蒸发,进行超临界脱溶剂旋转蒸发,直至溶液完全蒸发,形成MnO2气凝胶。
二、MnO2气凝胶表征1、X射线衍射(XRD)通过X射线衍射确定MnO2气凝胶纳米晶体结构,其结果表明,MnO2气凝胶具有一定的晶体结构。
2、透射电子显微镜(TEM)通过透射电子显微镜(TEM)确定MnO2气凝胶的微观结构,其结果显示,MnO2气凝胶形成了杂质小的非晶纳米晶体粒子,粒径直径分布大多在20-30nm之内。
3、热重分析(TG-DSC)采用热重分析确定MnO2气凝胶的物化性质,其结果表明,MnO2气凝胶的水分可以随温度的升高而被挥发,而其固体可以随着温度的升高而释放,最后可以得到比重稳定的MnO2气凝胶。
综上所述,本文介绍了用超临界干燥法制备MnO2气凝胶及其表征的方法,利用不同的物化性质检测手段,验证了其气凝胶形成的微观结构、晶体结构及物质性质,为MnO2气凝胶在电子、化学催化等领域的有效应用提供了重要依据。
纤维素气凝胶及其复合材料的制备与表征
纤维素气凝胶及其复合材料的制备与表征纤维素气凝胶及其复合材料的制备与表征摘要:纤维素气凝胶是一种具有良好的生物相容性和可降解性的新型材料,其在生物医学、环境保护、能源储存等领域具有广阔的应用前景。
本文主要介绍了纤维素气凝胶的制备方法和表征技术,并探讨了纤维素气凝胶与其他材料的复合应用。
研究结果表明,纤维素气凝胶及其复合材料具有优异的物理化学性能和应用性能,为实现可持续发展和环境友好的材料应用提供了新思路。
1. 引言纤维素是一种由纤维素链聚合而成的多聚物,具有极高的生物可降解性和生物相容性。
纤维素气凝胶是利用纤维素的特殊结构和性质通过凝胶化技术制备得到的一种新型材料。
由于其高比表面积、多孔性和可调控的孔隙结构,纤维素气凝胶在吸附分离、催化反应、药物缓释等领域展示出了广泛的应用潜力。
2. 纤维素气凝胶的制备方法2.1 酸碱法酸碱法是纤维素气凝胶制备的一种常用方法。
首先,将纤维素经过一定的预处理后溶解于酸碱溶液中,随后通过调节pH值使纤维素形成凝胶。
最后,通过胶凝剂的交联作用将纤维素凝胶固化。
酸碱法制备的纤维素气凝胶具有较好的稳定性和可控性。
2.2 直接冻胶法直接冻胶法是利用纤维素的胶凝性质直接制备纤维素气凝胶的方法。
将纤维素溶液直接注入低温液氮中,形成纤维素凝胶。
直接冻胶法制备的纤维素气凝胶具有较高的孔隙度和可调控的孔隙结构。
然而,由于冻胶过程中缺乏交联反应,直接冻胶法制备的纤维素气凝胶的稳定性较差。
3. 纤维素气凝胶的表征技术3.1 扫描电子显微镜(SEM)扫描电子显微镜是一种常用的纤维素气凝胶表征技术。
通过扫描电子显微镜可以观察纤维素气凝胶表面形貌和孔隙结构。
研究发现,纤维素气凝胶具有较大的比表面积和多孔结构,有利于提高其吸附分离和催化反应性能。
3.2 比表面积分析(BET)比表面积分析是一种用于测定材料比表面积的常用方法。
通过比表面积分析可以定量测定纤维素气凝胶的比表面积和孔隙结构参数,如孔隙体积、孔径分布等。
碳化硅块状气凝胶的制备及应用
碳化硅块状气凝胶的制备及应用
1碳化硅块状气凝胶的材料及技术
碳化硅块状气凝胶是一种以碳化硅为原料制备的气凝胶材料。
它的主要原料是由水热法或共沉淀法制备的碳化硅粉体,主要材料包括水泥用外加剂聚硅氧烷、沸石、有机消泡剂和水泥用外加剂有机高分子等。
碳化硅块状气凝胶制备工艺中主要包括仪器设备、原料筛分、原料配置、混合机研磨、辊磨压滤、烘干、回转烧结、水冷研渣等步骤。
2特点
(1)碳化硅块状气凝胶具有良好的孔结构与较强的比表面,比表面介于350-600m2/g之间,可以显著提高孔网的分布性,增加孔的有效层次。
它还具有高的强度、热稳定性及耐酸碱性,可以防止水泥浆消泡、改善水敏度及强度等。
(2)碳化硅块状气凝胶的特征优势:它的多孔灵活粒子尺寸及表面结构,能够有效提高水泥浆的力学性能;其结构上有良好的比表面,孔分布性非常均匀,具有高抗开裂性;其强度和抗酸碱性都非常优异,可以降低水泥浆的水分;其耐腐蚀性能优秀,能防止水泥浆的腐蚀而变质。
3应用
碳化硅块状气凝胶由于具有优异的性能及省料环保的特性,可广泛应用在水泥行业、高分子合成工业、涂料行业、金属加工行业等多个领域中,尤其在水泥行业有极大的应用价值,可替代传统水泥调整剂或水泥添加剂,实现降低水泥浆水分,延长施工时间,提高水泥浆强度,耐久性及耐腐蚀性等目标。
4结论
碳化硅块状气凝胶具有出色的比表面、孔径分布、气体吸附能力等优异的表征性质,可广泛用于水泥及其它高分子材料的制备。
具有优异的机理和结构性能,可以有效改善水泥浆的性能及施工性能,从而大大降低水泥制造工艺消费能源、减少环境污染,为水泥及其它高分子材料的制备过程提供一种可持续利用的有效绿色技术。
气凝胶的制备与应用研究
气凝胶的制备与应用研究气凝胶是一种轻质多孔的新型材料,具有优异的热、声、光和电学性能,被广泛应用于能源、环保、航空航天、生物医药等领域。
本文将介绍气凝胶的制备方法和应用研究进展。
一、气凝胶的制备方法气凝胶的制备方法主要有超临界干燥法、溶胶-凝胶法、冷冻干燥法和气相沉积法等。
其中,超临界干燥法是目前应用最广泛的制备方法,因其制备过程简单,可用于各种类型的物质,且制得的气凝胶密度低、孔径可控,具有良好的热稳定性和化学稳定性。
以下将对这四种方法分别进行介绍:1. 超临界干燥法超临界干燥法是指在高压高温下将液态物质变为气态,通过减压降温使物质从气态转变为凝胶状态,最终得到气凝胶。
该方法可用于制备化学性质稳定的无机气凝胶和多种有机气凝胶。
超临界干燥法的优点在于:可以改变超临界条件(压力、温度)来控制孔隙结构,得到可调控的孔径和孔隙大小的气凝胶。
2. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是指将物质分散在溶液中形成胶体,通过蒸发、热处理或光聚合等方式使其自组装形成凝胶状态,再通过干燥处理形成气凝胶。
该方法制备的气凝胶可用于吸附剂、分离材料、催化剂和光学传感器等领域。
3. 冷冻干燥法冷冻干燥法是指将物质的溶液冷冻成凝胶状态,再通过蒸发水分或真空干燥等处理方式将其转变为气凝胶。
该方法制备出的气凝胶具有优异的孔隙性能和高比表面积,在光学、催化和隔热领域有广泛的应用。
4. 气相沉积法气相沉积法是指将一种适宜的前体物质在高温下裂解、氧化或还原等化学反应形成气态分子,通过气相沉积在固体表面上形成气凝胶。
该方法的优点在于:制备速度快,反应条件易于控制,可得到高纯度、高结晶度的气凝胶。
二、气凝胶的应用研究进展气凝胶的应用研究主要集中在以下几个领域:1. 能源领域气凝胶具有优异的隔热性能和低介电常数,可用作电容器介质、超级电容器、锂离子电池隔膜和太阳能电池支撑材料等。
目前,人们已经研制出多种具有优异性能的气凝胶,如碳气凝胶、二氧化硅气凝胶等,这些材料在节能环保领域和新能源领域有广泛的应用前景。
研究金属气凝胶的制备和应用
研究金属气凝胶的制备和应用近年来,金属气凝胶(metal aerogels)已成为新兴的研究领域。
与传统的气凝胶相比,金属气凝胶具有更高的强度、导电性和导热性,具有广泛的应用前景。
本文将介绍金属气凝胶的制备方法和应用研究进展。
一、金属气凝胶的制备方法金属气凝胶制备方法主要有溶胶-凝胶法、水热法和超临界干燥法等。
1. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种常用的制备金属气凝胶的方法。
该方法将金属盐加入有机溶剂中,并加入适量的稳定剂和还原剂,然后通过水解、缩合和离子交换等反应过程形成凝胶。
最后利用超临界干燥或冷冻干燥等方法得到金属气凝胶。
2. 水热法水热法通过在高温高压的水环境下使金属离子和有机物发生反应,形成纳米尺度的凝胶体系。
水热法可以制备纳米尺度的金属气凝胶,且凝胶形态可控制。
3. 超临界干燥法超临界干燥法是将凝胶在温度和压力的控制下剥离水分,从而使凝胶原料变成具有微孔结构的材料。
随着干燥质量的提高,材料的孔隙率会逐渐增加,且具有孔径和孔缩尺寸均匀的优点。
二、金属气凝胶的应用研究进展金属气凝胶具有极高的比表面积和孔隙率,因此具有广阔的应用前景。
以下是几个例子:1. 催化剂金属气凝胶具有极高的活性和选择性,可用于催化反应。
以铂气凝胶为例,在加氢反应中,其催化活性是传统铸造铂催化剂的10倍以上。
2. 能量存储金属气凝胶可用于制备电极材料。
一些金属气凝胶的导电性和比电容较高,因此可以用于超级电容器和锂离子电池等能量存储领域。
3. 传感器金属气凝胶具有高度可控的孔径和表面性质,因此可用于制备高灵敏度的传感器。
研究人员发现,依据特定气体的存在,金属气凝胶可以改变电学参数或吸收气体,从而实现感应。
4. 吸附材料金属气凝胶具有极高的比表面积和孔隙率,因此可以用于吸附。
例如,在环境保护中,金属气凝胶可用来去除有害气体和重金属离子。
三、金属气凝胶的未来展望金属气凝胶具有广泛的应用前景,但目前还存在一些问题。
首先,大规模生产技术尚未成熟,且制备成本较高。
气凝胶 生产 工艺
气凝胶生产工艺气凝胶是一种轻质、高强度、高隔热性能的非金属材料,广泛应用于航空航天、建筑、能源等领域。
本文将介绍气凝胶的生产工艺,主要包括材料准备、溶胶、凝胶化、干燥、热处理、表面处理和包装等方面。
1. 材料准备气凝胶的生产需要准备多种材料,包括硅酸盐、二氧化硅、氢氧化钠、硝酸钙、聚苯乙烯磺酸钠等。
其中,硅酸盐和二氧化硅是制备气凝胶的主要原料,氢氧化钠和硝酸钙是催化剂,聚苯乙烯磺酸钠是表面活性剂。
2. 溶胶将硅酸盐和二氧化硅溶解在水中,形成均匀的溶胶。
在这个过程中,需要控制好温度和搅拌时间,以保证溶胶的质量。
3. 凝胶化在溶胶中加入催化剂和表面活性剂,使溶胶中的粒子相互交联,形成三维网络结构。
这个过程需要在一定的温度和湿度条件下进行,以保证凝胶的质量。
4. 干燥将凝胶放在干燥环境中进行干燥处理,除去其中的水分和溶剂。
在这个过程中,需要控制好温度和湿度,以保证干燥的质量。
5. 热处理在一定温度下对干燥后的凝胶进行热处理,增强其力学性能和隔热性能。
这个过程中需要注意控制好温度和时间,以避免凝胶的变形和破裂。
6. 表面处理对热处理后的凝胶进行表面处理,提高其耐腐蚀性和抗氧化性。
这个过程中可以采用涂层、镀膜等方法进行处理。
7. 包装将表面处理后的凝胶进行包装,以保护其不受外界环境的影响。
包装材料可以选择塑料袋、纸袋等,根据实际需求进行选择。
总之,气凝胶的生产工艺主要包括材料准备、溶胶、凝胶化、干燥、热处理、表面处理和包装等方面。
在生产过程中需要注意控制好各个工艺参数,以保证气凝胶的质量和性能。
(精品)气凝胶的制备与应用情况
电镜图 (e)Fe2O3/Gas氮气吸附/脱附曲线
Fe2O3/GAs 和 Fe2O3/GNs 的电化学性能
展望
应用领域少:主要用于隔热领域,以硅气凝胶为主,在催化、电 化学等其他领域的商业应用亟待开发。
制备工艺不足:目前工业生产的气凝胶均未经历溶剂置换步骤, 大规模的溶剂置换工艺开发仍待解决。
未来主要解决问题:生产工艺的大规划化、原材料获取。
聚合物气凝胶
杂化气凝胶
导电气凝胶
未来研 究方向
A
气凝胶生 产流程优
化
D
B
C
气凝胶生产原 型机的制造
E
致谢
感谢聆听 欢迎批评指正
03 传感器 04 电池
保温材料
不同材料导热系数
保温原理
对流 内部孔径小于空气分子运动平均
自由程,失去自由流动能力
辐 射 存在大量的气固界面,大大阻
隔了热辐射
传导 固体成分少,热传导路径细长,
从而大大减轻了固体热传导
油水分离
石墨烯气凝胶微球用于油水分离 石墨烯气凝胶用于油水分离
传感器
MIECs纤维素气凝胶
适用于亲水和脆性基体
预处理
疏水化处理
冷冻干燥
干燥机理:通过升华作用避免气—液界面的形成。
快/慢速冷冻 冷冻干燥机
单向冷冻
湿凝胶
冻凝胶
气凝胶
优点:结晶可以作为
模板
局限:得不到密度在
0.03g/cm3以下的气凝 胶,耗能较高。
预处理
加入改性剂 (叔丁醇)
自上而下法
1、原材料(生物质材料)处理; 2、保留三维网络骨架; 3、得到生物质气凝胶。
超临界干燥
不同液体的超临界参数
气凝胶的详细介绍
二氧化硅气凝胶的制备主要采用正硅酸乙酯,正甲基硅烷或水玻 璃等作为硅源。溶胶-凝胶过程中通过硅源物质的水解和缩聚获 得具有三维网络结构的二氧化硅凝胶。以正硅酸乙酯为例,说说 反应机理:
经过水解和浓缩,SiO2的分子链不断增加。当这些氧化物连接到一 起,形成三维网络结构。这些胶体粒子同样维持其网络结构不变, 溶剂充满于胶体粒子间隙,此时称为醇凝胶。醇凝胶由固相部分和 液相部分组成,固相部分由彼此连接的氧化物粒子三维网络结构组 成,液相充满固相网络结构。
气凝胶的性质与应用
气凝胶特有的纳米多孔、 三维网络结构,气凝胶 具有许多独特的性能, 尤其表现在高孔隙率、 低密度、低热导率等方 面
热学特性及其应用
气凝胶的纳米多孔结构使它具有极佳的绝热性能,其热导率甚至比空气还 要低,空气在常温真空状态下的热导率为0.026w/m·k,而气凝胶在常温常 压下的热导率一般小于0.020w/m·k,在抽真空的状态下,热导率可低至 0.004w/m·k 。
超临界干燥:由于凝胶骨架内部的溶剂存在表面张力,在普通的干燥 条件下会造成骨架的坍缩。超临界干燥旨在通过压力和温度的控制, 使溶剂在干燥过程中达到其本身的临界点,完成液相至气相的超临界 转变。过程中溶剂无明显表面张力,在维持骨架结构的前提下完成湿 凝胶向气凝胶的转变。
在无机的二氧化硅气凝胶中引入有机组分, 是获得有机无机杂化 气凝胶的一种有效途径。 Guo等用粘土增强聚酰亚胺/二氧化硅杂化气 凝胶, 随着粘土掺杂量的增加,气凝胶的密度基本保持不变,而模量 提高了将近三倍,说明粘土有效地增强了气凝胶的骨架结构。改性后的 杂化气凝胶往往被赋予新的功能, 如超疏水性气凝胶可以用作水处理 材料等。Cai等则是在纤维素水凝胶的骨架表面原位沉积二氧化硅,得 到纤维素/二氧化硅杂化气凝胶,这种气凝胶呈半透明,耐压缩,抗拉 伸,并能够打结,显示出很好的韧性。
气凝胶的应用与制备
气凝胶的制备与应用摘要本文简要综述了气凝胶[9]的基本特性、制备方法、表征手段和其国内外研究概况;主要工作及相应超临界流体干燥方法制备出性能优良、具有纳米网络结构结果是采用溶胶-凝胶工艺、溶剂置换和CO2的气凝胶。
目录1.气凝胶的性质及其应用2.气凝胶的制备3.气凝胶的结构控制及表征4.发展与展望前言气凝胶是一种新型低密度多孔纳米材料,具有独特的纳米级多孔及三维网络结构,同时具有极低的密度(3-500kg/m3)、高比表面积(200-1000m2/g)和高孔隙率(孔隙率高达%,孔洞典型尺寸为1-100nm),从而表现出独特的光学、热学、声学及电学性能[1],具有广阔的应用前景。
气凝胶主要包括无机气凝胶、有机气凝胶及炭气凝胶。
1. 气凝胶的性质及其应用由于气凝胶是具有纳米结构的多孔材料,在力学、声学、热学、电学、光学方面有许多独特的性质,如具有低折射率、低声阻抗,具有极大的比表面积、低杨氏模量,对光、声的散射比传统材料小的多,这些性质使气凝胶不仅在基础研究中得到重视,而且在许多领域内有广泛的应用前景。
基础研究方面,气凝胶是研究分形结构动力学的最佳材料。
散射实验表明,绝大多数气凝胶材料具有典型的分形结构,它们由尺度为a(约为1nm)的凝胶粒子相互堆积,交联形成无规三维网络状结构,这些网络具有自相似结构,自相似结构持续到尺度ξ(约为100nm),在ξ尺度上,材料可看成是连续且均匀的。
在不同的尺度范围内,以ξ和a为界,存在三个色散关系明显不同的激发区域,分别对应声子,分形子和粒子模的激发。
要在不同试验上来检测分性子的色散关系以及不同振动区的渡越行为,就需要能够制备一系列分维数D相同而宏观密度ρξ不同的试样,而且其结构又是交互自相似的。
由于气凝胶的结构可控性,通过控制凝胶过程中的各种影响因素以及超临界干燥工艺,是可以制备出符合要求的样品系列来的。
机械性能方面,气凝胶的杨氏模量Y,压缩强度以及声传播速率C与其宏观密度ρ之间关系都满足标度定律,可分别表示如下:C=kρn,Y=kρm,其中标度参量n﹑m均与气凝胶的制备条件密切相关。
气凝胶的制备与应用情况
气凝胶的制备与应用情况气凝胶是一种具有气凝胶结构的材料,具有优异的低密度、多孔性、高比表面积和热稳定性等特点,广泛应用于催化剂、吸附材料、保温隔热材料、传感器、能源存储等领域。
本文将从气凝胶的制备方法以及其在不同领域的应用情况进行详细介绍。
一、气凝胶的制备方法1.凝胶法凝胶法是通过溶胶的凝胶化过程制备气凝胶。
主要包括湿凝胶法、溶胶凝胶法和准凝胶法。
湿凝胶法是将溶胶脱水形成凝胶,然后通过固化和干燥等步骤得到气凝胶。
常见的湿凝胶法有法雯特凝胶法、湿法共沉淀法等。
溶胶凝胶法是通过溶胶溶液的凝胶化过程制备气凝胶。
常见的溶胶凝胶法有沉淀凝胶法、气泡共沉淀法等。
准凝胶法是通过将溶胶与凝胶前体物质(如无机盐)反应生成气凝胶。
常用的准凝胶法有凝胶浸渍法、凝胶共沉淀法等。
2.溶胶法溶胶法是通过湿化学方法将溶胶均匀分散在溶剂中,然后通过蒸发或冷冻干燥等过程得到气凝胶。
溶胶法具有操作简便、制备周期短、成本低等优点。
常见的溶胶法有溶胶冻干法、溶胶喷雾干燥法、溶胶旋转涂布法等。
二、气凝胶的应用情况1.催化剂气凝胶具有高比表面积和丰富的孔结构,可以作为高效催化剂的载体。
通过调控气凝胶的成分和孔结构,可以增加催化剂的活性和选择性。
以二氧化硅气凝胶为载体的铂催化剂在甲醇醇解反应中表现出优异的催化性能。
2.吸附材料气凝胶具有多孔结构和大比表面积,可以作为优良的吸附材料。
以二氧化硅气凝胶为例,可用于石油催化裂化中的混合烃分离、VOCs吸附等。
此外,气凝胶还可以用于水处理、气体分离、环境污染物吸附等领域。
3.保温隔热材料气凝胶的低密度和高孔隙率使其成为优秀的保温隔热材料。
以二氧化硅气凝胶为例,其导热系数仅为0.014-0.03W/(m·K),远低于传统保温材料。
气凝胶可以应用于建筑、航空航天、电子等领域的保温隔热。
4.传感器由于气凝胶具有高比表面积和丰富的孔结构,可作为传感器的敏感材料。
以二氧化硅气凝胶为例,可以用于传感气体,如甲醛、甲苯等。
新型气凝胶的制备和表征
新型气凝胶的制备和表征气凝胶(Aerogel)是一类非常轻且多孔的材料,因其低密度、高透明度和良好的保温性能而备受关注。
近年来,一种新型气凝胶开始逐渐引起人们的关注,那就是“柔性气凝胶”。
相对于传统的气凝胶,柔性气凝胶具有更好的柔韧性,并且可以在外力的作用下发生形变。
制备柔性气凝胶的方法有很多,比如溶胶-凝胶法、氢氧化钠-硅酸酯法等等。
其中,溶胶-凝胶法多被使用于柔性气凝胶的制备。
本文将重点介绍溶胶-凝胶法制备柔性气凝胶的过程以及表征方法。
一、制备柔性气凝胶的溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种将溶液转化为凝胶状态的方法,即在溶液中添加气凝胶的原料,在适当的条件下,原料聚集并形成凝胶。
一般来说,溶胶-凝胶法分为三步:溶胶制备、凝胶形成和干燥。
1. 溶胶制备首先需要准备一种原料,通常是以硅酸酯为主。
可以通过水解、缩合等反应制备溶胶。
在制备过程中,可以通过控制反应时间、反应温度、反应条件等来调节溶胶的性质。
2. 凝胶形成将准备好的溶胶放在一定的模具中,并在一定条件下进行固化。
凝胶形成的条件包括温度、时间和湿度等。
在调节这些条件的过程中,可以控制凝胶的孔隙度和大小。
3. 干燥将形成的凝胶在高压或真空下进行干燥,让其中的液体挥发掉,最终得到气凝胶。
二、柔性气凝胶的表征方法制备好柔性气凝胶后,需要对其进行表征。
以下是柔性气凝胶的表征方法:1. 电子显微镜(SEM)SEM可以观察样品表面形貌和孔隙结构。
在SEM中,通过扫描样品表面,可以获得高清晰度的图像。
通过SEM图像可以判断气凝胶的孔隙度和孔隙大小等。
2. X射线衍射(XRD)XRD可以分析样品的晶胞参数和结晶度。
可以通过XRD图谱了解样品的晶体结构以及可能的杂质。
在柔性气凝胶中,主要检测硅酸酯晶体的存在情况。
3. 热重分析(TGA)TGA可以分析样品的热稳定性和热分解温度。
通过检测样品在不同温度下的重量变化,可以得出样品的热分解温度等信息。
在柔性气凝胶中,TGA可以用于检测气凝胶的热稳定性。
二氧化硅气凝胶的生产及应用现状
二氧化硅气凝胶的生产及应用现状二氧化硅气凝胶是一种具有广泛应用前景的新型材料,其独特的物理和化学性质使其在许多领域具有重要应用。
本文将介绍二氧化硅气凝胶的生产工艺、应用领域、现状分析以及创新点,以全面了解其重要性和应用价值。
二氧化硅气凝胶的生产工艺主要包括以下三种:溶胶-凝胶法:将硅酸盐溶液通过物理或化学作用形成凝胶,然后进行热处理得到二氧化硅气凝胶。
该工艺操作简单,但生产周期较长,成本较高。
直接合成法:在高温高压条件下,通过气相反应直接合成二氧化硅气凝胶。
该工艺具有生产周期短、成本低等优点,但需要严格的反应条件和设备。
模板法:利用特定模板剂的作用,在凝胶网络中引入孔洞,然后去除模板剂并热处理得到二氧化硅气凝胶。
该工艺操作简单,但需要选择合适的模板剂并严格控制模板剂的用量。
二氧化硅气凝胶在许多领域具有重要应用,以下是其中几个领域:空气净化:二氧化硅气凝胶具有很高的比表面积和孔容,可以吸附和过滤空气中的有害物质,如甲醛、苯等有机挥发性气体。
隔音:二氧化硅气凝胶具有很好的隔音效果,可以被应用于建筑、交通工具等领域的隔音材料。
隔热:二氧化硅气凝胶具有很高的热导率,可以被应用于隔热材料中,如航天器、高温炉等高温领域。
结构加固:二氧化硅气凝胶具有很好的强度和稳定性,可以作为结构加固材料应用于土木工程、石油化工等领域。
目前,二氧化硅气凝胶的生产和应用仍处于不断发展和完善阶段。
在市场前景方面,随着人们对环保和节能要求的不断提高,二氧化硅气凝胶的市场需求将会持续增长。
在竞争格局方面,尽管国内外有许多企业都在研究和生产二氧化硅气凝胶,但大多数企业规模较小,技术水平不高,缺乏核心竞争力。
在技术水平方面,二氧化硅气凝胶的生产工艺仍存在生产周期长、成本高等问题,需要进一步优化和改进。
为了推动二氧化硅气凝胶的发展和应用,以下创新点值得:新型生产工艺:探索新型的二氧化硅气凝胶生产工艺,降低生产成本,提高产量和品质。
复合材料:将二氧化硅气凝胶与其他材料复合,制备出具有更多功能的复合材料,以满足不同领域的需求。
气凝胶材料的合成与表征
气凝胶材料的合成与表征近年来,气凝胶材料作为一种新型材料备受关注。
它具有低密度、高孔隙率和极大比表面积的特点,被广泛应用于各个领域,如能源存储、催化剂、吸附剂等。
本文将从气凝胶材料的合成方法和表征手段两个方面进行探讨。
一、气凝胶材料的合成方法1. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是最常用的合成气凝胶材料的方法。
它的原理是将适量的溶胶浸泡在溶剂中,然后通过凝胶化反应形成气凝胶。
这种方法可以制备出具有多孔结构的气凝胶材料,并且具有较高的可控性。
2. 超临界干燥法超临界干燥法是一种利用超临界流体替代常规溶剂进行干燥的方法。
在高压下,液体将转变为超临界流体,具有较低的表面张力和较高的扩散性,可以实现材料表面的均一干燥。
这种方法可以保持气凝胶的孔隙结构和比表面积,同时避免了溶胶-凝胶法中的晶化过程。
3. 模板法模板法是通过将溶胶浸渍到模板孔隙中,然后使其凝胶化形成气凝胶材料。
模板可以是有机物或无机物,通过控制模板孔隙的大小和形状,可以得到具有特定结构和孔径分布的气凝胶材料。
二、气凝胶材料的表征手段1. 扫描电子显微镜(SEM)SEM可以直观地观察气凝胶材料的形貌和孔结构。
通过调节电子束的能量和扫描速度,可以得到不同放大倍数下的图像,从而了解材料的孔隙连接情况、孔径分布等信息。
2. 氮气吸附-脱附(BET)法BET法是常用的气凝胶材料比表面积测量方法。
通过在不同相对压力下测量材料的氮气吸附量,可以计算出气凝胶材料的比表面积、孔体积和孔径分布。
3. X射线衍射(XRD)XRD可以用于分析气凝胶材料的晶体结构和晶相组成。
通过分析材料的衍射峰位置和强度,可以确定气凝胶中晶体的晶胞参数和结晶度。
4. 热重分析(TGA)TGA可以用于分析气凝胶材料的热稳定性和热分解过程。
通过测量材料在不同温度下的质量变化,可以得到材料的热分解温度和热分解产物。
综上所述,气凝胶材料的合成和表征是研究和应用气凝胶的重要环节。
合成方法的选择和改进可以得到具有特定结构和性能的气凝胶材料,而表征手段的使用可以了解材料的微观结构和性质。
新型气凝胶材料的制备及其应用研究
新型气凝胶材料的制备及其应用研究气凝胶是一种新型材料,具有极低的密度和优异的物理性质,在能源、环保、生物医学和电子器件等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍气凝胶的制备方法、物理性质及其在材料学领域的应用研究进展。
一、气凝胶的制备方法气凝胶是一种多孔的固体材料,其孔隙率可以高达99.9%,因此制备气凝胶的关键是控制其内部孔隙结构。
目前,气凝胶的制备方法主要有以下几种:1. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种传统的气凝胶制备方法,其原理是将气溶胶中的颗粒通过凝胶化的方式形成大量孔隙。
其具体操作步骤为:先将金属盐或离子交换树脂溶解于水/有机溶剂中,并加入一定量的催化剂,形成溶液;然后通过旋涂、喷雾干燥等方式制备出凝胶;最后,用升华或减压干燥等方式将凝胶转化成气凝胶。
2. 超临界干燥法超临界干燥法是一种较新的气凝胶制备方法,其原理是将溶液在超临界条件下干燥,使其在干燥过程中形成孔隙结构。
超临界干燥法制备气凝胶的优势在于快速干燥、易于控制孔隙结构和可控制制备速度等。
3. 模板法模板法是一种利用模板后回填的方式制备气凝胶的方法。
通常先在模板表面形成一层凝胶,然后在凝胶中形成大量的孔隙,最后去除模板即可得到具有模板孔道形貌的气凝胶。
模板法能够制备出形貌复杂的气凝胶,但其缺点在于模板去除过程中易留下少量的杂质。
二、气凝胶的物理性质气凝胶具有极低的密度、优异的吸声性能和热稳定性,在光学、能源和生物医学等领域有着广泛的应用。
以下是气凝胶的主要物理性质:1. 低密度气凝胶的密度通常在0.003-0.3 g/cm3范围内,是普通固体材料的1/100至1/1000。
这种特殊的低密度使气凝胶成为一种轻质高强的理想材料。
2. 高孔隙率气凝胶的孔隙率通常在90%以上,甚至可达99.9%。
因此,气凝胶可视为一种“空气固体”,体积相同时可以比重相同的纯空气更加稳定。
3. 优异的吸声性能气凝胶具有极佳的吸声性能,是吸声性能最佳的材料之一。
其原因是气凝胶具有高孔隙率和内部多级孔隙结构,对声波能量的吸收能力非常强。
聚合物基复合气凝胶的制备与表征
聚合物基复合气凝胶的制备与表征概论:聚合物基复合气凝胶是一种由聚合物和无机/有机物质复合而成的凝胶材料,其具有较大的比表面积和孔隙结构,广泛应用于催化、吸附和分离等领域。
本文将介绍聚合物基复合气凝胶的制备方法以及其表征手段。
制备方法:1. 反相法:基于两种互不溶胶体的相互渗透,如在水溶液中加入有机溶剂,通过调节温度和溶液浓度来实现凝胶形成;2. 溶胶-凝胶法:通过溶胶到凝胶的相变产生凝胶材料,可通过水热处理或添加交联剂来促进凝胶形成;3. 冻干法:将溶胶冷凝为凝胶,然后在低温条件下脱除水分,得到气凝胶。
注:制备方法可以根据具体需求进行调整,以获得特定结构和性能的复合气凝胶。
表征手段:1. 扫描电子显微镜(SEM):用于观察气凝胶的表面形貌和孔隙结构,通过SEM 图像可以确定气凝胶的孔径分布;2. 简化BJH法:用于测定气凝胶的孔隙体积和孔径分布,从而推断气凝胶的比表面积;3. 傅里叶变换红外光谱(FTIR):用于分析气凝胶中的有机基团和官能团的存在状态,验证复合气凝胶的化学组成;4. 热重分析(TGA):通过测量样品在不同温度下的质量变化,了解气凝胶的热稳定性和含水率。
应用案例:1. 催化应用:将贵金属纳米颗粒负载在聚合物复合气凝胶上,构建高效的催化剂用于有机反应,提高反应效率和产率;2. 吸附分离应用:将吸附剂浸渍于聚合物复合气凝胶中,用于废水处理、气体分离、有机物吸附等环境治理领域;3. 储能应用:将聚合物复合气凝胶作为电池电解质或电极材料,提高电池的能量密度和循环寿命。
结语:聚合物基复合气凝胶作为一种多孔材料,具有广泛的应用前景。
通过合适的制备方法和表征手段,可调控气凝胶的结构和性能,满足不同领域的需求。
随着科技的不断发展,聚合物基复合气凝胶将在催化、吸附和分离等领域得到更广泛的应用。
低成本气凝胶材料及制品制备与典型应用关键技术
在本文中,我将从简单的概念开始,逐渐深入探讨低成本气凝胶材料及制品制备与典型应用关键技术。
我们需要了解什么是气凝胶材料,其特点和应用领域,然后再深入到低成本制备技术和典型应用方面。
希望通过本文的讨论,您能对这一主题有更深入的了解。
一、气凝胶材料概述气凝胶是一种具有极强吸附性和良好孔隙结构的多孔材料。
其特点包括高表面积、低密度、低热导率等,因此在吸附分离、催化剂载体、保温隔热等领域有着广泛的应用。
气凝胶材料的制备方法也非常关键,直接影响着材料的性能和成本。
二、低成本气凝胶材料制备技术1. 原材料选择:低成本的气凝胶材料制备首先要考虑原材料的选择,包括基体材料和交联剂的选择,通过合理选择原材料来降低制备成本。
2. 制备工艺:多种方法可以用来制备低成本气凝胶材料,如溶胶-凝胶法、超临界干燥法、喷雾干燥法等。
在选择制备工艺时,需要考虑工艺的成本和效率。
3. 成本优化:除了原材料选择和制备工艺,制备过程中的能耗和设备成本也需要进行优化,以降低成本。
三、低成本气凝胶制品典型应用1. 保温材料:由于气凝胶材料的低热导率,可以作为优质的保温材料使用,特别是在建筑和冷链物流中有着广泛的应用。
2. 吸附分离:气凝胶具有大量的微孔结构,因此对有机物和水分子有着较高的吸附能力,可用于废水处理和空气净化领域。
3. 催化剂载体:气凝胶材料的高表面积和孔隙结构为催化剂的负载提供了良好的条件,可用于化工领域的催化反应。
四、个人观点和理解低成本气凝胶材料及制品制备与典型应用关键技术是当前材料研究领域的热点之一。
通过降低制备成本,拓展了气凝胶材料的应用领域,使其在能源、环境等方面发挥更大的作用。
制备技术的不断创新也为气凝胶材料的未来发展提供了良好的基础。
总结回顾通过本文的讨论,我们对低成本气凝胶材料及制品制备与典型应用关键技术有了更全面和深入的了解。
从气凝胶材料的特点和应用、到制备技术和典型应用方面都进行了详细的探讨。
希望本文能够帮助读者更好地理解这一主题,并对相关领域的发展有所启发。
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0040-6090/97/$17.00q1997Published by Elsevier Science S.A. PII S0040-6090(96)09441-2/97/$17.00q1997Elsevier Science S.A.All rights reserved applicationsD-97218Wurzburg,Germany1930’s,today’s researchreview of aerogels whileOptical and infrared properties;and liquid phase whichother words,if the liquidnon-destructive manner,with approximately thegel.difficult to achieve.Evap-in large capillary pres-tension caused by thebest,a greatly reducedcracking of the fragileremove the liquid by plac-the pressure and thencritical point.In the super-behaves like a liquid but molecules have enough energytensions cease,and menisciJ.Fricke,T.Tillotson /Thin Solid Films 297(1997)212–223213Fig.1.Development of an electromagnetic shock wave caused by the impact of relativistic particles (Cerenkov effect).true to this day as the high cost of aerogel production up to now has limited its wide-spread commercial exploitation.2.2.The alkoxide sol–gel methodRenewed interest in aerogels occurred in 1962when the French government approached Stanislas Teichner at the Uni-versity of Lyons with the idea of using the highly porous solids for rocket fuel storage.Kistler’s ‘‘water glass’’gel preparation required a labori-ous and time consuming solvent exchange step.He discov-ered this early on when supercritical water peptized his water-filled gels,‘‘aquagels’’,made from hydrolyzing sodium silicate in water.Consequently,prior to SCE,the ‘‘aquagels’’were first rinsed with methanol to prepare ‘‘alco-gels’’(alcohol-filled gels).So,after weeks of effort,Teichner’s student,who was completing his thesis work on this topic,had prepared just two aerogels!Remorseful,he temporarily left the University and is said to have been quite despondent over the seemingly monumental task that lay before him.On his return,he suc-cessfully attempted a new synthetic procedure for the gel preparation using organosilanes and the modern day sol–gel method was introduced [3].In the French group’s work,tetramethoxysilane (TMOS)was dissolved in methanol and hydrolyzed by a molar excess of water in the presence of either an acid or base catalyst according to the following overall net reaction:Si(OCH )q H O ™SiO q 4CH OH34223The TMOS first hydrolyses producing silicic acid which then condenses to SiO 2.Small nanometer size silica particles form a ‘‘sol’’.The viscosity of the sol rises as the particles become linked until a highly cross-linked three-dimensional silica network,an alcogel results.This sol–gel method produced methanol as the liquid phase of the gel,eliminating the need for a solvent exchange step,and drastically sped up the aero-gel production process.2.3.Cerenkov detectorsAlthough aerogels as rocket fuel storage devices were never used,scientists studying high-energy physics became very interested in aerogels as Cerenkov detectors.Cerenkov radiation occurs if a charged particle penetrates a medium,having an index of refraction,h ,with a speed,v ,which is higher than the velocity of light,c /h in that medium.Under the action of the fast moving electric field which the particle carries along,the medium is polarized and gives off light in a cone-shaped pattern around the flight path (Fig.1).For the detection of fast pions,koans,or protons,a medium with h (1is needed.It just so happened that aerogels covered a range of h -values unattainable by either compressed gases or liquids.The index of refraction for aerogels spans from h (1.006to 1.1,corresponding to densities from 3to 500kg m y 3.The subsequent demand for this material prompted two groups to begin large scale aerogel production in the 1970’s.D.Poelz produced 1.5m 3of silica aerogel tiles (measuring 15cm =15cm =2.5cm)for the Deutches Elektronen Syn-chrotron (DESY)located in Hamburg,Germany [4].While,S.V.Henning and G.V.Dardel,at the University of Lund,provided the European laboratory for particle physics,CERN,with 1.0m 3of aerogel [5].The latter Swedish group went on to form a private company,Airglas AB,which is still a commercial source of silica aerogels with the capability of making large 60cm =60cm tiles.2.4.Aerogels todayWith these developments,aerogel research flourished in the 1980’s.Scientists studied the unusual physical properties,probed the microstructure,and developed new processing schemes and synthetic routes.Industry explored their use in solar panels and as spacers in double-pane windows.The first International Symposia on Aerogels (ISA)was held in Wuerzburg,Germany in 1985and has been held with increas-ing participants every three years since.Fittingly,an excellent review book,Sol–Gel Science:The Physics and Chemistry of Sol–Gel Processing ,by Brinker and Sherer,was published in 1990.Let us now review some of the major breakthroughs in aerogel research.A new drying scheme was developed when a research group at the Lawrence Berkeley Laboratory succeeded in making silica aerogels using supercritical CO 2[6].A com-mon practice used by microbiologists to remove water from biological tissues,Hunt and Tewari extended its use to the drying of gels.The alcogel is placed in a pressure vessel where liquid CO 2is exchanged for the alcohol.Then,the temperature and pressure is raised above the critical point of the CO 2(T c s 31.18C,p c s 73.9bar)and the supercritical fluid is vented off.The use of non-flammable carbon dioxide with its low critical temperature significantly reduced the hazard associated with the high temperature and pressure alcohol process.Several groups began to study the microstructure,physical properties,and the influence of synthetic and processing con-J.Fricke,T.Tillotson/Thin Solid Films297(1997)212–223 214ditions.Among these,Woignier and Phalippou determined the scaling law behavior of the mechanical properties of silica aerogels using a three-point bending technique[7].They found that the elastic modulus,Y,is proportional to the den-sity,r,by the relation Y a r2–4depending upon solution chemistry and processing conditions.This result was later confirmed by LeMay and co-workers at Lawrence Livermore National Laboratory using a uniaxial compression method [8].Woignier also showed that alcogels undergo physio–chemical changes during the high temperature and pressure SCE process[9].Theses changes result in lower density aerogels with higher moduli than similar gels prepared by the CO2process.In the same group at the University of Montpellier,Vacher began using small angle X-ray scattering(SAXS)and small angle neutron scattering(SANS)measurements to probe the microstructure of aerogels[10].Concurrently using the same techniques,Schaefer and his colleagues at the Sandia National Laboratory in New Mexico made systematic inves-tigations of the differing fractal nature of aerogels resulting from variations in the solution chemistry[11].Also at the Sandia National Laboratory,Brinker and co-workers prepared thefirst borate aerogels[12].More signif-icantly,they went on to study in detail the hydrolysis and condensation reactions of silicon alkoxides[13].This work culminated in kinetic growth models which scientists cannow use to control aerogel microstructure and predict their phys-ical properties.The aerogel research group at the University of Wuerzburg pioneered the study of the thermal properties of aerogels[14–17].Although the thermal conductivity was known to be extremely low,a detailed understanding of the thermal trans-port in aerogels was lacking.Thermal transport in aerogel was shown to be governed by gaseous conduction,solid con-duction,and infrared radiative transfer.From thesefindings, a model was developed,which was based on the aerogel composition,nano-structure and porosity.Also,in Wuerz-burg,the sound propagation in aerogels was investigated. Depending on density,the sound velocity in aerogels can be as low as100m s y1[18].How the sound propagation can be used to determine the aerogel modulus and a more detailed description of the thermal transport in aerogels will be pre-sented later.Towards the end of the nineteen eighties,two synthetic advances came out of the Lawrence Livermore National lab-oratory.Pekala,working on inertial confinement fusion tar-gets for the NOVA laser,prepared thefirst organic aerogels by the polycondensation of resorcinol with formaldehyde [19].Measurements at Wuerzburg have shown them to have the lowest thermal conductivity,0.012W m y1K y1,of any solid ever tested.Further pyrolysis of these organic aerogels, in an inert environment,produced an electrically conductive carbon aerogel[20].The other synthetic advance occurred when Tillotson and Hrubesh modified a two-step sol–gel method,first described by Brinker[21],for the preparation of ultralow density silica aerogels.By distilling off the reac-tion-generated alcohol and replacing it with an aprotic solvent (to prevent reverse equilibrium reactions),monolithic aero-gels with densities as low as3kg m y3(99.8%porous)were produced[22].These aerogels are now being used on NASA space shuttleflights[23].3.Aerogel productionWhile the applications for aerogels are virtually unlimited, they will have to be cheaply produced in order to have an impact in the commercial marketplace.As such,researchers have now turned their attention to achieving these goals. Some groups have sought ways to eliminate the SCE process and the high capital cost associated with it,while others have sought to make it more efficient.Studies have shown that the high cost of the raw materials contributes significantly to the final cost of the aerogel[24].Consequently,lower cost pre-cursors such as Kistler’s water glass are being looked at once again.Here,we briefly highlight some of the recent developments.3.1.Ambient pressure dryingUsing the alkoxide sol–gel method described above,the solid phase is composed of linked nanometer sized spherical particles with unreacted silanol groups covering their surface. By modifying this gel surface,two groups have successfully produced silica aerogels at ambient pressure. Einarsrud and her colleagues at the Norwegian Institute of Technology aged their wet gels infirst water/alcohol and then alkoxide/alcohol solutions.This treatment effectively fills in the necks between the linked particles,reducing the surface area while strengthening and stiffening the gel microstructure[25].With this increase in Young’s modulus, the wet gels are now strong enough to withstand the capillary pressures arising from surface tension as the receding liquid meniscus penetrates the gel body.Aerogels with densities as low as240kg m y3have been prepared.At the University of New Mexico,Smith and Brinker took another approach.As a gel shrinks from the evaporation of pore liquid,sterically favored condensation reactions may occur between two surface silanol groups leading to irrevers-ible syneresis.Recognizing this,they methylated the gel sur-face by proton abstraction of the surface hydroxyl groups according to the following reaction:s Si y OH q Cl y Si y(CH)33™s Si y O y Si y(CH)q HCL33As can be seen in Fig.2,the methylated gel shrinks but springs back to96.9%of its original volume while the unsi-lylated gel when completely dry occupies only30.1%of its original volume[2].J.Fricke,T.Tillotson /Thin Solid Films 297(1997)212–223215Fig.2.Photographs showing silica gels with either a hydroxylated or methylated surface at various stages of ambient pressure drying.(Reprinted from D.M.Smith et al.,JNCS,186(1995)104.).Fig.3.Schematic diagram of apparatus for the rapid supercritical extraction (RSCE)process.(Reprinted from Poco et al.,Mater.Res.Soc.Proc .,in press.).3.2.Rapid supercritical extraction process (RSCE)During the heat cycle of the high temperature and pressure SCE process,Scherer has shown that stresses arise within the gel from the different thermal expansion coefficients of the solid and liquid phases.In other words,rapidly heating a non-constrained gel causes the liquid to expand faster than the solid network.If the resulting differential stresses exceed the basic strength of the gel,i.e.the modulus of rupture,cracking occurs [26].Simply stated,for uncracked aerogel monoliths,the heating rate must be slow.This leads to batch processing times on the order of 30h.Poco and his colleagues at Lawrence Livermore National Laboratory have recently developed a RSCE process which is similar to injection molding,a common process used to manufacture certain types of plastics [27].In their process,the strains and associated stresses during heating are mini-mized by gel containment within a high pressure stainless steel mold (Fig.3).In this case,the positive strain due to the expanding liquid is essentially zero.In practice,the sol is injected into a two-piece sealed mold which is rapidly heated.During this rapid heat cycle,the sol gels while the expanding liquid creates a hydrostatic pressure.Once the liquid phase becomes a supercritical fluid it is rapidly decompressed and the heaters de-energized.The whole process typically takes 3h but has been done in a little less than 1h.The resulting aerogels prepared by this RSCE process have three times higher elastic modulus than similarly prepared gels by the SCE process.They estimate an eight-fold reduction in pro-duction cost.3.3.Aerogel beadsFor more than 10years,at B.A.S.F.in Ludwigshafen,Germany,aerogel beads,Basogel w ,have been produced by spraying an acid and water–glass solution from a mixing jet into a flask,where the beads are solvent exchanged and then supercritically dried with respect to CO 2[28]The resulting beads have diameters 2–6millimeters and densities of some 150to 200kg m y 3.This process is amenable for mass pro-duction and uses sodium silicate,a cheaper source of silica.4.New classes of aerogelsAlthough,in theory,any multifunctional monomer that can be cross-linked to form a gel could be converted into an aerogel via SCE,very little work has been done outside of the silica and RF organic systems.Some groups have pre-pared aerogels from the transition metal alkoxides but theirJ.Fricke,T.Tillotson /Thin Solid Films 297(1997)212–223216Fig.4.Linear shrinkage results showing improved temperature stability of alumina silicate over pure silica aerogels.fast hydrolysis rates and low cross-linking densities have made monolithic aerogels hard to achieve.For catalytic appli-cations,however,monolithicity is not important and work on zirconia and titania aerogels is being pursued [29,30].For an excellent review article on transition metal gels the reader is referred to work published by Livage et al.[31].Here,we describe some other recent work and advances in aerogel synthesis.4.1.Mixed oxide and doped aerogelsThe most widely studied mixed oxide aerogel systems are the alumina silicates including the mullite composition [32–35].Yoldas pioneered the use of aluminum alkoxides for the preparation of aluminum xerogels (50%porosity)in 1975[36,37].He hydrolyzed aluminum sec-butoxide under acidic conditions in a 100molar excess of water to prepare a boehm-ite sol.Today,chemists are mixing this sol with TMOS to prepare alumina silicate aerogels with varying composition.The interest in alumina silicates arises from the improved temperature stability of these materials as compared to pure silica aerogels (Fig.4).Mixing two metal alkoxides together to form binary com-positions is becoming common practice.In our laboratories,we are now making zirconia–silicate aerogels using a two-step sol–gel process.In the first step,a sub-stoichiometric amount of water is added to a TMOS/methanol solution which is refluxed under acidic conditions.Hydrolysis of the TMOS and subsequent condensation reactions result in the growth of oligomeric silica species with some uncondensed Si–OH groups still present [38–40].Zirconium alkox-ide,once added,reacts with the uncondensed silanol groups forming –Zr–O–Si–linkages and alcohol as a by-product.In the second step,water to complete the hydrolysis/conden-sation reactions,an acid or base catalyst,and an alcohol for density control is added to the partially hydrolyzed–con-densed sol to induce gellation.SCE completes the process.Another example of mixing different alkoxides is the work of Schwertfeger and Schubert [41].They mixed TMOS with methyl-trimethoxysilans (MeTMOS).By carefully control-ling the reaction conditions they were able to preferentially hydrolyze and condense first the TMOS then the MeTMOS.Aerogels prepared by this process demonstrated a permanent hydrophobicity owing to the methyl substituents covering most of the surface.Doping of aerogels is another research area where consid-erable work has been done.For alkoxide systems,any alcohol soluble compound (such as the acetates,nitrates,chlorides of Cu,Ni,Co etc.)can be added to the sol prior to gellation.Opacified silica aerogels have been made by doping the sol with carbon black just prior to gellation [42].Despite a loss in transparency,the carbon black,lowers the thermal con-ductivity for reasons we describe below.Fluorescent dyes have been added to low density silica aerogels for the enhancement of Cerenkov light detection [43].Phosphors have also been doped into silica aerogels to improve the output of radio luminescent light sources [44].In our labo-ratories,we are also preparing PbTiO 3aerogels by mixing lead acetate trihydrate with titanium alkoxides.These aero-gels could potentially be used as acoustic impedance layers in ultrasonic transducers operating in air.4.2.New organic aerogelsPekala and his colleagues have gone to develop two more organic aerogel synthetic routes.In one synthesis,transparent aerogels are produced from the polycondensation of mela-mine with formaldehyde [45].These aerogels have lower thermal conductivity’s and comparable transparencies as their inorganic counterparts.Unlike previous organic sol–gel reactions,the second syn-thesis could be carried out with an alcohol instead of water [46].This eliminated the need for solvent exchanging the aqueous gels prior to SCE.A commercially availablepolymer solution (FurCab UP520,QO Chemicals)was diluted in propanol,and a mixture of aromatic acid chlorides (Q2001,QO Chemicals)was added as a catalyst.Gelatin is carried out at 858C.These,like the RF aerogels,can be further pyr-olized to vitreous carbon.5.Aerogel characterizationSeveral methods are currently being used to probe the structure and properties of aerogels with varying degrees of success.Here,we describe the most common laboratory prac-tices employed by sol–gel scientists noting the limitations of the technique,if any.5.1.Structural investigationsThe specific surface area of accessible sites in the aerogel microstructure can be derived from nitrogen adsorptionmeas-urements.Aerogel BET surface areas range from 200–1000m 2g y 1.The extracted pore-size distribution and the total pore volume may not be reliable,however,because onlyJ.Fricke,T.Tillotson /Thin Solid Films 297(1997)212–223217Fig.5.Longitudinal sound velocity (c l )for silica aerogels of varying density (r )produced at LLNL,Airglass AB,BASF,and DESY,the small dots are for sintered aerogels and the open triangles for evacuated specimens.pores up to about 30nm are detectable by this method [47].In mercury porosimetry,because of the high surface tension mercury,only compression of the tenuous skeleton occurs instead of penetration [48,49].As a result,pores much larger than are actually present are found.Helium pycnometry is used to determine the skeletal volume (solid-phase).Skeletal densities of silica aerogels have been found in the range of 1700to 2100kg m y 3[28,50].Full density silica has a value of 2200kg m y 3and the difference is attributed to micropo-rosity in the primary particles comprising the aerogel backbone.The use of microscopy has been particularly frustrating.Kistler wrote of the difficulties of optical techniques and concluded by saying:‘‘perhaps,some interesting observa-tions could be made with the aid of the new Spierer lens’’[51].Today,even with the use of electron microscopy good,reliable results are hard to attain.The problem arises from the interaction between the impinging electron beam and the tenuous aerogel skeleton.Even for small electron-beam cur-rents,the absorbed energy may cause sintering resulting in distorted images.Evaporated metal coatings to eliminate this charging effect also have been shown to distort the true aero-gel microstructure.However,with this disclaimer,a beautiful a high resolution TEM study of silica and organic aerogels,including stereo-imaging,has been done by Rueben using a Pt–C replication technique [52].Nuclear magnetic resonance (NMR)is used to non intru-sively explore the structure on the molecular level.The extent and kinetics of hydrolysis and condensation has been studied from the initial stages of polymerization until gelation [13,38].Doping of aerogel with paramagnetic relaxation agents also allows the fractal appearance of the gel to be probed [53].The most powerful and reliable methods to probe aerogel structures are scattering techniques.The specimen is irradi-ated by monoenergentic photons (light,X-rays)or particles (neutrons),with part of the incoming beam being scattered by the inhomogenieties of the sample.The amount of scat-tered intensity depends on the type and energy used,the concentration of the scattering units,and the contrast between the solid phase and the voids.The characteristics of the scat-tering pattern can be related to the different structural features on the respective length scale,for example,the (fractal)morphology of network and particles;mean cross-section lengths of pores,clusters,and particles;and the specific sur-face area [54].The reader may refer to one of our previously published papers for a more detailed explanation of how such experiments are performed and what structural information can be obtained [55].5.2.Elastomechanical propertiesElastomechanical properties are measured by three-point bending [7]uniaxial compression [8],or ultrasonic tech-niques [56].We’ll describe aerogel elastomechanical prop-erties from the perspective of the ultrasonic work done in our laboratories.As a result of the aerogel’s high porosity,the longitudinal sound velocity (v l )can be as low as 100m s -1(Fig.5).Generally,a scaling behavior of v l (and thus also of Young’s modulus (Y ))with aerogel density (r )is observed:v l a r a (where a (1.3)and Y ar b (where b (3.6).Such scaling laws can be either explained in terms of per-colation theory [57,58]or as a result of a heirarchical struc-ture [59].As is shown in Fig.5,deviations up to a factor of 2in elastic properties at a given density can be observed.This is owing to the degree of interparticle connectivity resulting from different synthetic conditions.Aerogels prepared under neutral or acidic conditions are about twice as stiff as base catalyzed aerogels.At ultralow aerogel densities,the elastic-ity of the air within the pores of the aerogel makes a significant contribution to the sound propagation.Evacuation allows to reveal the elastic properties of the skeleton alone.5.3.Optical and IR propertiesThe optical and IR properties of aerogels have been well studied.Despite their high porosity,silica aerogels are highly transparent in the visible spectral region [6].At 630nm the specific extinction coefficient (e vis )is on the order of 0.1m 2kg y 1[60].Thus,the photon mean free path at that wave-length for an aerogel density of 100kg m y 3would be:1s 1/(e =r )(0.1mphoton vis Towards the blue and ultraviolet spectral region strong Rayleigh scattering is observed for aerogels,which is expected for a material with pore structures in the 1to 100nm size range [6,10].Accordingly the angular scattering distribution is nearly isotropic [60].The variation of the extinction coefficient with wavelength in this spectral region cannot be described satisfactorily by a 1/l 4dependence,valid for a medium containing isolated point scatterers.Rea-sons may be the occurrence of absorption or anisotropic scat-tering.Due to the strong scattering power at smallerJ.Fricke,T.Tillotson /Thin Solid Films 297(1997)212–223218Fig.7.The effect of gas pressure on the thermal conductivity of base-catalyzed silicaaerogels.Fig.8.Variation of thermal conductivity (l )with density (r )showing the scaling law dependency of the solid conductivity (l s).Fig.6.Specific extinction coefficient of silica aerogels in the infrared,the dotted curve is for opacified aerogels.wavelengths,extraction of data from transmission measure-ments is non-trivial as multiple scattering has to be taken into account.Particle diameters,which can be derived from assuming Rayleigh scattering,are in the order of 10nm,whereas comparative TEM’s show 5nm sized particles [61,62].In the infrared,silica aerogels show the strong adsorption bands typical for SiO 2(Fig.6).Additional adsorption is caused by water,chemisorbed and physisorbed on the huge internal aerogel surface,and organic substituents resulting from unreacted alkoxy groups in the sol–gel process.Typical is a specific extinction of F 10m 2kg y 1below 7m m and above 30m m and a specific extinction of G 100m 2kg y 1between 8and 25m m.If one compares these data with the extinction in the visible a ratio:e IR /e vis )100is recognized.As a result,silica aerogels can be considered transparent insulation materials,which effectively transmit solar light but block thermal infrared radiation.Infrared spectroscopy has also been used to characterize other aerogels including alumina [63],boron–phosphorous–silicon mixed oxide [64],zirconia [65],cordierite [66],and organic aerogels [19].The index of refraction for low density aerogels is very close to 1.Experimentally,one finds h y 1(2.1=10y 4=r (kg m y 3)in agreement with a simple theoretical estimation [5].Thus,a silica aerogel with a density of 3kg m y 3would have an index of refraction of h (1.006.As a consequence,light enters a piece of aerogel nearly without reflective losses.5.4.Thermal propertiesThe thermal conductivity of aerogels is about 100times smaller than that of full density silica glass [51]Although Kistler made initial thermal conductivity measurements,a detailed understanding of the thermal transport in aerogel resulted from investigations carried out in our laboratories [14–17].We will briefly summarize our findings using silica aerogels as a case study.Thermal transport in aerogel occurs via gaseous conduc-tion,solid conduction,and infrared radiative transfer.Oneway to lower the thermal conductivity of an aerogel is to suppress the gaseous conduction.As can be seen in Fig.7,evacuating an aerogel tile down to 0.01bar of air pressure reduces the thermal conductivity at T s 300K from about 0.02W (m =K)y 1to below 0.01W (m =K)y 1.The latter value is owing to solid conduction and to radiative transport.The solid conductivity of low density silica aerogel is a factor of several hundred smaller than the conductivity of non-porous vitreous silica.This is expected because of the large amount of missing mass which restricts the propagation of local excitations to the chains in the tenuous structure.An important question was how the solid conduction l s changes with skeletal density r .A series of measurements (Fig.8)revealed a scaling law where l s ar a ,with a (1.6.The radiative transport in aerogels is governed by infrared adsorption.Characteristic are the high absorption region above 10m m and the low absorption region between 3and 5m m (Fig.6).While the former provides effective attenuation of thermal radiation at ambient temperatures,the latter is responsible for a strong increase in thermal conductivity at elevated temperatures.We ought to state that solid conduction via the skeleton and radiative transport cannot be lineary superimposed in。