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。”
不过，它还没能征服时尚界。 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。
隔热应用

气凝胶具有优异的隔热性能。气凝胶的热传导由气 态传导、固态传导、辐射传导组成，常压下材料孔 隙内的气体对热导的贡献一般小于0.01W/m·k。块 状气凝胶的总热导≤ 0.02W/m·k。是至今块状材料 热导的最低值。如果经抽真空, 块状气凝胶的热导降 至0.007W/m·k。 无机气凝胶能耐高温, 一般在 800℃情况下结构、性能无明 显变化, 有些甚至能耐2000℃ 高温（Al2O3）。 具有替代氟利昂发泡材料的潜 在价值！
气凝胶是世界上最轻的固体，也称为“固体烟”。
在三十年代初斯坦福大学Samuel S. Kistler就已经通过水解水玻璃的方法 制得了SiO2气凝胶
气凝胶工业化

水解水玻璃制备工艺复杂、产品纯化困难而未得到 发展。直到八十年代以后随着溶胶-凝胶法研究的深 入和超临界干燥技术的逐步完善, 使构成气凝胶的固 体微粒更趋于细化, 微孔分布更趋于均匀, 从而使材 料的密度更低, 孔隙率更高。
另外, 气凝胶还可以用作气体过滤器、化学催化剂载 体、无害高效杀虫剂等。在激光直接驱动惯性约束 聚变实验研究中, 需要多孔、低密度材料吸附核燃料, 这方面气凝胶材料是最佳候选者。
美国的劳仑兹利物莫尔 国家实验室和伊利诺斯 大学合作成功研制了硅 气凝胶微球和有机气凝 胶材料, 并进而作为激光 直接驱动惯性压缩聚变 的高增益靶。
磁性气凝胶

这种气凝胶含有氧化铁，使用化学气体 浸润，具有磁性，目前没有人知道这是 谁的手。
海水淡化

由于气凝胶不仅比表面积大，而且具有导电功能， 所以还能用于海水淡化。让海水通过加有1V的 碳气凝胶电极板，水中的杂质由于电场作用而吸 附在板上。吸附饱和后可以通过静电再生重复使 用。
其他应用

隔热应用
隔热应用

气凝胶不仅密度比任何固体都低，热导 率比一般发泡材料低很多，非常适合于 生产隔热材料。当然价格也非常的昂贵。
光学应用

在光学应用上，气凝胶能制成透明或半透明 材料。它对入射光几乎没有反射损失, 能有 效地透过太阳光，并阻止环境温度的热红外 辐射，因此是一种很好的绝热透明材料。利 用气凝胶作为太阳能收集器的透光覆盖层已 经有了专利。
惊人的高比强度

2.801 g的气凝胶承受10000 g的压力， 经过几小时后没有任何的破坏

密度0.084 g/cm3。厚度: 19 mm.
惊人的高比强度


2平方英寸，重量为500 mg的气凝胶 承受4 kg的花岗岩石柱压力 目前比强度最高的材料。
物理性能
性能 表观密度 内表面积 固体含量 大小值

n=1+2.1×104 ×ρ

使用这种不同密度的气凝胶介质作为切仑可 夫闭值探测器，从而确定高能粒子的电荷、 质量及能量。因高速粒子很容易穿入多孔材 料并逐步减速实现“ 软着陆” , 如果选用 透明气凝胶在空间捕获高速粒子, 可用肉眼 或显微镜观察被的介电常数特别小, 因此有可能被用于高速计 算的大规模集成电路的衬底材料。最近研制出的碳 气凝胶,被用来制造高效高能可充电电池。目前最大 比电容量已做到400法拉/克气凝胶。对于输出电压 为1.2伏的电池, 能量密度最高达288焦耳克。一般情 况下, 电池功率密度为7.5千瓦/千克,重复充电100000 次, 且价格非常便宜。因此, 这是一种很有前途的高 技术产品。
性能应用

气凝胶在力学、声学、热学、光学等诸方面均显示其独特性质。
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；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。
研究发现，一些形式由铂金制成的气凝胶能用于加速氢产生。 所以，气凝胶也能用来生产以氢为基础的燃料。
致谢
空洞直径
基本粒子大小 折射指数 耐热极限 热膨胀系数 泊松比 杨氏模量 拉伸强度 断裂韧性 介电常数 介质声音传播速度
使用氮气吸附/解吸附测量(因密度 值而变化)
使用电镜测量 固体材料值较低 500℃下缓慢翘曲，熔点>1200℃ 使用超声波测量 与密度无关，与硅密度相关 与硅相比非常小 (<104x) 密度为0.1 g/cm3 密度为0.1 g/cm3 密度为0.1 g/cm3，非常低 密度为0.07 g/cm3
0.003-0.35 g/cm3 600-1000 m2/g 0.13-15% ~20 nm 2-5 nm 1.0-1.05 to 500℃ 2.0-4.0 x 10-6 0.2 106-107 N/m2 16 kPa ~0.8 kPa*m1/2 ~1.1 100 m/sec
备注
大多数密度是0.1g/cm3 使用氮气吸附/解吸附测量 典型值为5% (95%的自由体积)
气凝胶结构

气凝胶微观结构类似支架结构, 其孔隙率在80～ 99.8% , 孔 洞尺寸一般在1～ 100nm之间, 而密度变化范围可达3～ 600kg/m 3，凝胶粒子在1~20nm。
气凝胶的表征

气凝胶的扫描电镜图片

气凝胶的透射电镜图片
气凝胶的表征
惊人的表面积

尽管气凝胶属于一种固体，但这种物质99%是 由气体构成，这使得它外观看起来像云一样。 科学家们表示，因为它有数百万小孔和皱摺， 如果把1立方厘米的气凝胶表面积统计起来， 它有一个有足球场这么大。
气凝胶基础知识与应用
Aerogel Basical Knowledge and Application
贵州理工学院—材料学院 刘伟
内容提要
一、气凝胶概念 二、气凝胶制备 三、气凝胶应用

什么是气凝胶？
气凝胶定义与历史

气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互 聚结构成纳米多孔网络结构, 并在孔隙 中充满气态分散介质的一种高分散固态 材料。
超临界干燥
溶胶-凝胶过程

气凝胶的多孔网络结构首先在一定条件下通过水解-缩聚 反应形成醇凝胶。如SiO2醇凝胶的制备
水解生成的Si(OH)4再脱水缩聚:
最终生成以硅氧键≡Si—O —Si≡为主体的聚合物并形成 具有空间网络结构的醇凝胶。
超临界干燥
要得到气凝胶, 必须去掉溶剂。 在常规的干燥过程中, 由于气液 态表面张力的存在, 会引致材料 收缩和碎裂。 为了在干燥的同时仍保持凝胶 态的结构，凝胶制备过程中采 用超临界干燥工艺, 即将醇凝胶 置于高压容器内，并用干燥介 质替换尽其中的溶剂，然后使 容器的气压和温度超过干燥介 质的临界点，气液界面消失， 表面张力不复存在，此时通过 容器的排泄阀释放干燥介质, 随 后降温即得到具有纳米尺度纤 细网络结构的气凝胶材料。