硅气凝胶研究进展

摘 要: 目前硅气凝胶是世界上最轻、隔热性最好、孔隙率较高且声传播速率较低的固体材料 , 由于其 特殊的网
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络结构使其具有很多独 特的性能。本文从其研究历史及 现状出 发, 对其性 能以及 在不同 方面的应 用和制 备原理
进行了综述, 并对其广阔的发展 前景进行了展望。
关键词: 硅气凝胶; 溶胶 - 凝胶法; 超临界干燥技 术
( 11School of chem istry and Environmen tal E ngineer ing, Changchun Un iver sity of Science and T echnology, Chang chun 130022; 21StateK ey Laboratory of Electroanaly tical Chem istry, Changchun Institute of Applied Chem istry, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130022)
近年来, 硅气凝胶的研究主要集中在德国 BASF、 BESY 公司, 美国的洛斯阿拉莫斯国家实验 室、劳伦斯利物摩尔国家实验室和桑地亚国家实验 室, 法国的蒙彼利埃材料研究中心, 瑞典 LUND公 司及美、德、日等国的大学。在国内, 硅气凝胶的 研究最早始于 1995 年同济大学波耳固体物理研究 所, 它率先建立了一套气凝胶制备及若干性质测量 的设备, 并和德国维尔兹堡大学物理所合作开展气 凝胶材料的系统研究。另外北京科技大学、中科院 山西煤化所等高校和科研机构也发表过相关论文。 但对硅气凝胶的研究大多处于起步阶段, 还没有形 成以开发新材料为目的的应用性研究。
114 声阻抗耦合材料
S iO2 气凝胶的纵向声传播速率 为 100m / s[ 23] , 是固体材料中最低的, 且其声阻抗 Z = QC ( 103 ~ 107 kg# m - 2 # s- 1 ) 随密度可变范围很大, 因此是 一种理想的声阻抗耦合材料。可用于装修房子的地
板材 料 和 运输、超 声等 机 械 装置 上 的 声阻 抗 材 料 [ 24] 。它还是一种声学延迟和高温隔音材 料, 因 此透明的气凝胶可被用于太阳能隔音保温窗 [ 25] 。
zhuguoy@i ciac1 jl1 cn
第 1期
高秀霞, 等: 硅气凝胶的研究进展
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1 硅气凝胶的性质及应用
特殊的网络结构使硅气凝胶在热学、光学、电 学、力学、声学等方面都表现出独特的性质, 具有 广阔的应用前景。
111 透明保温隔热材料
硅气凝胶的温度使用范围为 - 190e ~ 1050e ( 本实验室在常压下制得的二氧化硅气凝胶温度达 1100e 左右才发生 相变 )。常 压下气态 热导率 Kg 很小可达 01012 W # m- 1 # K- 1, 在真空条件下可 低达 01001W # m - 1 # K- 1, 是目前隔热性能最好的 固态材料。因此被广泛应用于各种特殊的窗口隔热 体系。 F ricke等 [ 7, 8] 发现硅气凝胶制备的双层隔热 窗热导率低于 01002 W # m- 1 # K- 1, 用该材料制 得的特种玻璃, 其保温性能是同样厚度普通泡沫塑 料的 4倍 [ 9, 10] 。它还是一种节能墙材, 可提高节能 效率 [ 11] 。丹 麦的 Jensen[ 12] 等人 在玻 璃 中间 充入 15mm 的硅气凝胶使中心的热损失系数小于 017 W # m2 # K - 1, 透光率达 76% 。预计硅气凝胶窗具有 广阔的市场前景。
Abstract: Presently, silica aeroge ls are the lightest so lid m ateria lw hich have the best property in therm a l insu lation and have the h igher porosity, the low er sound ve loc ities in the w orld. The silica aeroge ls have m any un ique properties ow ing to the ir special structure. T h is paper began from the h istory and the study now adays of silica aerogels, then the ir propert ies, the ir application in different aspects and their prepared princip le were summ arized and the ir prospect o f deve lopm ent had been proposed. K ey w ord s: silica aeroge ls; so l- ge l m ethod; supercrit ica l drying technology
第 30卷第 1期 2 0 0 7年 3月
长春理工大学学报
Jou rnal of Changchun U n iversity of Science and T echnology
Vo l130 No11 Ma r. 2 0 0 7
硅气凝胶的研究进展
高秀霞1, 张伟娜 1, 任敏 2, 朱果逸 2
( 11 长春理工大学 化学与环境工程学 院, 长春 130022 21 中国科学院长春应用化学研 究所 电分析化学国家重点实验室, 长春 130022)
在 S iO2 气凝胶中 掺入其他 金属制成 保温膜。 倪星元 [ 15] 等选择聚酰亚胺作为骨架材料, 并镀制 上金属铝膜与多孔 SiO2 气凝胶复合成保温隔热薄 膜。当薄膜叠加到 10层时其保温隔热效果可提高 5 倍 。同 济大学 发明 了气 凝 胶复 合 柔 性保 温 隔 热薄 膜拓宽了其应用范围。
收稿日期: 基金项目: 作者简介: 通讯作者:
2006- 06- 12 中科院国家重点实验室基金项目 ( J96032GY ) 高秀霞 ( 1956 - ), 女, 副教授; 主要从事化学教学与科研工作, E- m ai:l zjw1095@ s ina1 com 朱果逸 ( 1944- ) , 男, 研究员, 博士生导师; 从事分析化学及应用基础材料科研工作, E- m ai:l
117 气凝胶在催化中的应用
硅气凝胶可作为催化剂载体, 并且自身具有优 良的催化性能。例如 SiO2 气凝胶载以 F e2 O3 后所 形成的催化剂, 在合成烷烃反应中的催化活性是普 通 F e2 O3 催化剂活性的 2~ 3倍 [ 32] ; N ovak[ 33] 制得 的 WO 3 - A l2 O3 - S iO 2 气凝胶在用 H 2O 2 氧化 PM IDA 的过程中催化活性更高, 对甘氨酸的选择性更 好, 且对环境无污染, 易回收。硅气凝胶还是性能 良好的吸附剂, 例如 S iO 2 气凝胶被用作室温气体 捕获剂, 吸附燃气中 CO 2、 SO2 气体, 处理废水、 废气、放射 性废 物, 吸 附核 燃料 等; 另外, S iO2 气凝胶对氘、氚有很好的吸附性, 这对惯性约束聚 变实验研制高增益靶提供了一个新途径, 这对于利 用受控核聚变反应来获得廉价、清洁的能源具有重 要意义。
115 捕捉太空尘埃
自 1987年 Jet P ropu lsion[ 26] 实验室发现了一种 收集彗星尘埃的新技术以来, 对彗星尘埃的收集吸 引了众多科学家的兴趣。这些彗星离子速度极高, 一般的材料很难捕捉得到。而硅气凝胶质量较轻, 透明度较好, 可升入太空准确确定这些高速粒子的 位置, 且其表面积大、热导率低对磁和紫外辐射的 抵抗能力强, 不受其它粒子的腐蚀, 在太空中是不 可替代的首选材 料。目前在 / 开创 火星 0 任务中 使用的就是硅气凝胶, 而且收集气凝胶颗粒可用于 保护太空镜 [ 27] 。
S iO 2 气凝胶也可 用作太阳能集 热器中的透明 隔热材料和太阳能房子的节能材料。而且它还可用 作冰箱等低温系统的隔热材料, 从而避免了传统用 氟利昂作为隔热材料的冰箱工作时释放出大量的氟 利昂气体而破坏大气臭氧层的危险。
同时由于它是世界上最 轻的材料 ( 超临界条 件下制得密度低至 3kg# m- 3, 因此而创世界吉尼 斯纪录; 本实验室在常压条件下制得的硅气凝胶平 均密度为 13413kg# m- 3 ) 而成为航天航空器上理 想的隔热层。英国 / 美洲豹 0 战斗 机的机舱隔热 层采用的是该材料 [ 13] 。美国 NA SA 在 / 火星流浪 者 0 的设计中, 也用过硅 质气凝胶材料作为保温 层, 用来抵挡火星夜晚 - 100e 以下的超低温 [ 14] 。
硅气凝胶还可用于激光器短波段的减反膜, 肖 轶群等 [ 20] 已成功的制备出厚为 75nm、折射率控制 在 1122的纳米多孔 S iO 2 薄膜, 在 355nm 反射率仅 为 012% 。R ao等 [ 21 ] 在硅气凝胶的溶胶 - 凝胶过程 中加入 2, 4, 6- 三硝基甲苯制得了单一、耐用、 防水的硅气凝胶增强了其光学性质, 拓宽了应用范 围。
中图分类号: TQ 171177 文献标识 码: A
文章编号: 1672- 9870 ( 2007) 01- 0086- 06
Progress in the Study of Silica A erogels
GAO X iux ia1, ZHANG W eina1, REN M in2, ZHU G uoy i2
硅气凝胶是一种分散介质为气体的凝胶材料, 是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成的一种具 有网络结构的纳米多孔性固套材料, 其固体相和孔 隙结构均为纳米量级。因为其独特的结构和性质使 其在很多领域表现出很好的应用价值。
硅气凝胶问世于 1931年 [ 1] , 首先由斯坦福大 学的 S. S. K istler制得了二 氧化硅气 凝胶。 1966 年 J. B. Per.i [ 2] 利用硅酯经一步溶胶 - 凝胶法制 备出氧化硅气凝胶, 从而使材料的密度更低, 进一 步推动了气凝胶研究的进展。
1974年粒子物 理学家 Cantin 等 [ 3] 首次报道了 将 1700升和 1000升 的氧化硅 气凝胶应 用于两个 Cerenkov探测器。此后, 硅气凝胶作为隔热材料又 成功地应用于双面窗 [ 4] 。 1985 年 T ew ari[ 5] 使用二
氧化碳为超临界干燥介质, 成功地进行了湿凝胶的 干燥, 推动了硅气凝胶的商业化进程。
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长春理工大学学报
2 007 年
116 机械性质方面的应用
硅气凝胶的拉伸、压缩、弹性系数很低, 可通 过老化提 高其 机械 性 能, 使其 剪切 系 数提 高 23 倍 [ 28] , 因此可用作减震器的动能吸收材料 [ 29 ] , 当 在振动压缩时能吸收很 多的能量 [ 30] , 硅气凝胶和 碳气凝胶组成的低振动阻抗材料可捕获 100个大气 压振动压力下的冰冻矿物 [ 29 - 31] 。
113 在电学方面的应用
硅气凝胶介 电常数在 固体材 料中极 低 EU 1. 1, 且在 1~ 2范围内连续可调, 因此在超大规模集 成电路 ( ULSI) 中器件集成度 提高的今天, 它可 望用于大规模集成电路的衬底材料。黄娆 [ 22] 等研 究了目前正在开 发的几种低介电 材料, 其中 S iO 2 气凝胶很适合 ULSI发展的需求。
112 在光学方面的应用
透明的 S iO 2 气凝胶对蓝光和紫光有较强的瑞
利散射, 样品通常呈淡蓝色, 而气凝胶的折射率 n 与密度 Q之间关系为: n- 1U 211 @ 10- 4 Q ( kg# m - 3 ) 非常小, 且孔隙率可高达 9918% , 因此 S iO2
气凝胶具有良好的透光度, 可用于制造特殊环境使 用的透镜 [ 16] 。还可制备结构简单, 造价低的 Cerenkov探测器, 从而确定高能粒子的电荷、质量和 能量。且早在 1974年粒子物理学家 C antin 等 [ 3] 已 将氧化硅气凝胶 应用于两个 Cerenkov 探测器。目 前 Chw astow sk i等 [ 17 ] 首次用 SP - 30压敏二极管硅 气凝胶 C erenkov 探测器测得 HERA 的发光度和光 子的能量。 Be llunato等 [ 18 ] 用硅气凝胶作为 Cerenkov探测器鉴别和分离 6~ 10 GeV / c范围内的粒子。 P lata等 [ 19 ] 发明了一种能对氧气浓度的改变做出迅 速反应的气凝胶光学传感器。