气凝胶的详细介绍 PPT
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有机-无机气凝胶
世界上第一块气凝胶是使用水玻璃作为前驱体， 在盐酸催化下得 到的二氧化硅无机气凝胶。经过几十年的改进，二氧化硅气凝胶凭借 着密度低、 孔隙率高、 比表面积大、 半透明等特点成为应用最为广 泛的气凝胶。尽管二氧化硅无机气凝胶在一些领域不可替代， 但是 它的脆性和繁琐的干燥方法始终无法得到理想的解决。近年来， 科 研人员们努力尝试通过有机无机杂化的方式解决二氧化硅气凝胶力学 性能差— — 这一制约气凝胶发展的瓶颈问题， 同时对气凝胶进行功 能化， 拓宽二氧化硅气凝胶的实际应用领域
气凝胶
汇报人：郭冬冬
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目录: 气凝胶的历史 气凝胶的结构与制备 气凝胶特性与应用
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气凝胶的历史
1931年Kistle:用硅酸钠为硅源，盐酸为催化剂，制备了水凝胶， 然后通过溶剂置换和乙醇超临界干燥，首次制备了SiO2气凝胶。 在此后的几年时间里，Kistler详尽地表征了SiO2气凝胶的特性， 并制备了许多有研究价值的其它气凝胶材料，包括:AI2O3、WO3 等气凝胶材料。
超临界水：是指当气压和温度达到一定值时，因高温而膨胀的水的密度 和因高压而被压缩的水蒸气的密度正好相同时的水。此时，水的液体和 气体便没有区别，完全交融在一起，成为一种新的呈现高压高温状态的 液体。
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有机气凝胶的制备
有机气凝胶是由 pekal在 1989年首先提出的他利用间苯二 酚和甲醛之 间的缩合反应首次制备了RF有机气凝胶。反应物混合溶液在 Na2O3的 催化作用下凝胶化， 经超临界干燥后得到气凝胶。制备RF气凝胶最重 要的参数是催化剂浓度和溶液的PH值,样品的密度,比表面积以及颗粒 和孔尺寸等性能都会受到这两个因素的影响.
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近年来， 随着对碳纳米、 石墨烯等碳材料的研究越来越深入， 碳 气凝胶也逐渐成为有机气凝胶领域新的热点，并凭借其优良的导电性 和良好的力学性能有力地拓展了气凝胶的应用。
碳气凝胶的制备方法主要有两种， 一种方法是将碳源凝胶经过 水热处理使其碳化， 然后由冷冻干燥得到气凝胶。Fellingger 等以葡萄糖作为碳源、硼酸盐作为复合结构诱导剂制备了葡萄糖 凝胶，经水热碳化、冷冻干燥得到气凝胶， 其微观形貌与传统 的SiO2气凝胶类似。另一种方法，采用石墨烯、碳纳米管等能够 稳定分散在溶液中的碳材料，在一定条件下使其自组装成三维凝 胶， 然后冷冻干燥， 也可以得到碳气凝胶 。
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气凝胶的结构与制备
定义：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，所以气 凝胶也被称为干凝胶。
气凝胶是一种固体物质形态，世 界上密度最小的固体。这种材料 的特点是透明，密度低（0.0030.3g/cm-1），高孔隙率（80%99.8%），大比表面积（1001600m2/g）极低的热导率[10-40 mW / ( m·K ) ]
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最早的气凝胶最早由美国科学工作者Kistler在1931年制得。制备 方法是对硅酸钠水溶液进行酸处理浓缩，然后用超临界水再溶解 二氧化硅，当排除水后，二氧化硅沉淀下来。为了出去凝胶中的 盐类，用水洗涤二氧化硅凝胶，然后用乙醇交换水。随后用乙醇 变成超临界流体，并慢慢释放乙醇行最初意义的气凝胶。
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气凝胶的制备一般要经过溶胶-凝胶聚合和后处理两个过程。 溶胶-凝胶法是指金属的有机或无机化合物在溶液（一般指有机溶 液）中水解缩合成胶液，然后出去溶剂形成凝胶，最终制得固体 氧化物和其他化合物的方法；
气凝胶的后处理是指在溶胶-凝胶聚合过后，经过老化、防开 裂、干燥 等一系列步骤得到性能独特的气凝胶。
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以航空航天应用为背景， 美国国家航空航天局的研究人员 Meador长期致力 于聚酰亚胺凝胶的制备和表征 。他们制备的气凝胶不仅具有良好的耐热性 ， 还具有耐弯折 、 耐压缩 的特点。凭借聚酰亚胺良好的介电性能， 这种 气凝胶还可以用作轻质接线天线的基板材料。
制 备 聚 酰 亚 胺 气 凝 胶 的 的 化 学 反 应 路 线
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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：
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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。
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在随后的30年中，气凝胶的研究一直没有什么进展，直到60年代， Teichner的研究才使气凝胶的制备有了很大发展。他用正硅酸甲酯为硅 源、甲醇为溶剂，加人一定量的水和催化剂，使之发生水解和聚合反 应，直接生成醇凝胶，因而不需要长时间的溶剂交换，通过醇的超临 界干燥便可获得性能良好的SiO2气凝胶材料。自80年代中期到2002年 以来，溶胶一凝胶技术的发展使得气凝胶制备技术有了很大的发展。 1985年德国维尔兹堡大学物理所的Fricke教授在维尔兹堡组织了首届“ 气凝胶国际研讨会”(Inter-nationals”mposiumonAeroge1S，简称ISA) 。随后，ISA分别每3年召开1次，2006召开了第八界ISA会议。其间气 凝胶的制备及其表征有了较大的进步。
表面上带有2个羟基的胶体粒子
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SiO2醇凝胶结构
当溶胶变成凝胶后，水解和浓缩反应远未完成。此时，凝胶的二氧 化硅骨架中包含未反应的醇盐基团。实际上，凝胶后，水解和浓缩的时 间甚至是凝胶视角的好几倍。英雌必须有足够的时间是网络结构强化使 网络结构表面的-OH继续反应缩聚反应，形成新的Si--O键。通过控制水 含量和PH值可以增强骨架结构。老化后的凝胶还有水保留在空隙中，必 须干燥钱除去。用乙醇浸泡无数次，知道除去所有的水，时间的长短与 形成凝胶的厚度。如果水没在超临界干燥过程前除去，将导致材料的不 透明。发白，以及密度增加。再通过超临界干燥就制成了气凝胶。
有机-无机气凝胶
世界上第一块气凝胶是使用水玻璃作为前驱体， 在盐酸催化下得 到的二氧化硅无机气凝胶。经过几十年的改进，二氧化硅气凝胶凭借 着密度低、 孔隙率高、 比表面积大、 半透明等特点成为应用最为广 泛的气凝胶。尽管二氧化硅无机气凝胶在一些领域不可替代， 但是 它的脆性和繁琐的干燥方法始终无法得到理想的解决。近年来， 科 研人员们努力尝试通过有机无机杂化的方式解决二氧化硅气凝胶力学 性能差— — 这一制约气凝胶发展的瓶颈问题， 同时对气凝胶进行功 能化， 拓宽二氧化硅气凝胶的实际应用领域
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目录: 气凝胶的历史 气凝胶的结构与制备 气凝胶特性与应用
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气凝胶的历史
1931年Kistle:用硅酸钠为硅源，盐酸为催化剂，制备了水凝胶， 然后通过溶剂置换和乙醇超临界干燥，首次制备了SiO2气凝胶。 在此后的几年时间里，Kistler详尽地表征了SiO2气凝胶的特性， 并制备了许多有研究价值的其它气凝胶材料，包括:AI2O3、WO3 等气凝胶材料。
超临界水：是指当气压和温度达到一定值时，因高温而膨胀的水的密度 和因高压而被压缩的水蒸气的密度正好相同时的水。此时，水的液体和 气体便没有区别，完全交融在一起，成为一种新的呈现高压高温状态的 液体。
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有机气凝胶的制备
有机气凝胶是由 pekal在 1989年首先提出的他利用间苯二 酚和甲醛之 间的缩合反应首次制备了RF有机气凝胶。反应物混合溶液在 Na2O3的 催化作用下凝胶化， 经超临界干燥后得到气凝胶。制备RF气凝胶最重 要的参数是催化剂浓度和溶液的PH值,样品的密度,比表面积以及颗粒 和孔尺寸等性能都会受到这两个因素的影响.
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近年来， 随着对碳纳米、 石墨烯等碳材料的研究越来越深入， 碳 气凝胶也逐渐成为有机气凝胶领域新的热点，并凭借其优良的导电性 和良好的力学性能有力地拓展了气凝胶的应用。
碳气凝胶的制备方法主要有两种， 一种方法是将碳源凝胶经过 水热处理使其碳化， 然后由冷冻干燥得到气凝胶。Fellingger 等以葡萄糖作为碳源、硼酸盐作为复合结构诱导剂制备了葡萄糖 凝胶，经水热碳化、冷冻干燥得到气凝胶， 其微观形貌与传统 的SiO2气凝胶类似。另一种方法，采用石墨烯、碳纳米管等能够 稳定分散在溶液中的碳材料，在一定条件下使其自组装成三维凝 胶， 然后冷冻干燥， 也可以得到碳气凝胶 。
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气凝胶的结构与制备
定义：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，所以气 凝胶也被称为干凝胶。
气凝胶是一种固体物质形态，世 界上密度最小的固体。这种材料 的特点是透明，密度低（0.0030.3g/cm-1），高孔隙率（80%99.8%），大比表面积（1001600m2/g）极低的热导率[10-40 mW / ( m·K ) ]
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最早的气凝胶最早由美国科学工作者Kistler在1931年制得。制备 方法是对硅酸钠水溶液进行酸处理浓缩，然后用超临界水再溶解 二氧化硅，当排除水后，二氧化硅沉淀下来。为了出去凝胶中的 盐类，用水洗涤二氧化硅凝胶，然后用乙醇交换水。随后用乙醇 变成超临界流体，并慢慢释放乙醇行最初意义的气凝胶。
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气凝胶的制备一般要经过溶胶-凝胶聚合和后处理两个过程。 溶胶-凝胶法是指金属的有机或无机化合物在溶液（一般指有机溶 液）中水解缩合成胶液，然后出去溶剂形成凝胶，最终制得固体 氧化物和其他化合物的方法；
气凝胶的后处理是指在溶胶-凝胶聚合过后，经过老化、防开 裂、干燥 等一系列步骤得到性能独特的气凝胶。
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以航空航天应用为背景， 美国国家航空航天局的研究人员 Meador长期致力 于聚酰亚胺凝胶的制备和表征 。他们制备的气凝胶不仅具有良好的耐热性 ， 还具有耐弯折 、 耐压缩 的特点。凭借聚酰亚胺良好的介电性能， 这种 气凝胶还可以用作轻质接线天线的基板材料。
制 备 聚 酰 亚 胺 气 凝 胶 的 的 化 学 反 应 路 线
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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：
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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。
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在随后的30年中，气凝胶的研究一直没有什么进展，直到60年代， Teichner的研究才使气凝胶的制备有了很大发展。他用正硅酸甲酯为硅 源、甲醇为溶剂，加人一定量的水和催化剂，使之发生水解和聚合反 应，直接生成醇凝胶，因而不需要长时间的溶剂交换，通过醇的超临 界干燥便可获得性能良好的SiO2气凝胶材料。自80年代中期到2002年 以来，溶胶一凝胶技术的发展使得气凝胶制备技术有了很大的发展。 1985年德国维尔兹堡大学物理所的Fricke教授在维尔兹堡组织了首届“ 气凝胶国际研讨会”(Inter-nationals”mposiumonAeroge1S，简称ISA) 。随后，ISA分别每3年召开1次，2006召开了第八界ISA会议。其间气 凝胶的制备及其表征有了较大的进步。
表面上带有2个羟基的胶体粒子
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SiO2醇凝胶结构
当溶胶变成凝胶后，水解和浓缩反应远未完成。此时，凝胶的二氧 化硅骨架中包含未反应的醇盐基团。实际上，凝胶后，水解和浓缩的时 间甚至是凝胶视角的好几倍。英雌必须有足够的时间是网络结构强化使 网络结构表面的-OH继续反应缩聚反应，形成新的Si--O键。通过控制水 含量和PH值可以增强骨架结构。老化后的凝胶还有水保留在空隙中，必 须干燥钱除去。用乙醇浸泡无数次，知道除去所有的水，时间的长短与 形成凝胶的厚度。如果水没在超临界干燥过程前除去，将导致材料的不 透明。发白，以及密度增加。再通过超临界干燥就制成了气凝胶。