二氧化硅气凝胶..

二氧化硅气凝胶..

海南大学

课程名称现代材料科学进展

题目名称二氧化硅气凝胶

学院材料与化工学院

专业班级 2010级材料2班

姓名周俊琛

学号 20100413310089

评阅老师：

日期：年月日

二氧化硅气凝胶

周俊琛20100413310089

摘要:本文从二氧化硅的研究历史和现状出发，从制备方法、干燥工艺、性能与应用领域等方面综述了二氧化硅气凝胶的研究进展，并对二氧化硅气凝胶的发展前景进行了展望。

关键词:二氧化硅气凝胶，制备，干燥，应用

Current Research and Applications of Silica

Abstract: The article reviewed the latest development and the h istory of the research of silica aerogel, summarized the progre ss of the silica aerogel research in the aspects of preparatio n methods, drying technologies, properties and current applicatio n. And the article also looks forward to the development prosp ect of silica aerogel.

Keywords: silica aerogel, preparation, drying, application

一、气凝胶的简介

气凝胶通常是指以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。气凝胶是一种固体，但是99%都是由气体构成，外观看起来像云一样。气凝胶因其半透明的色彩和超轻重量，有时也被称为“固态烟”或“冻住的烟”。

最常见的气凝胶为二氧化硅气凝胶。SiO2气凝胶是一种防热隔热性能非常优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料，其孔隙率高达80-99.8％，孔洞的典型尺寸为1-100 nm，比表面积为200-1000 m2/g，而密度可低达3 kg/m3，室温导热系数可低达0.012 W/（m•k）。正是由于这些特点使气凝胶材料在热学、声学、光学、微电子、粒子探测方面有很广阔的应用潜力。。

二、气凝胶发展历史

早在1931年，Steven.S.Kistler就开始研究气凝胶。他最初采用的方法是用硅酸钠水溶液进行酸性浓缩，用超临界水再溶解二氧化硅，用乙醇交换孔隙中的水后，利用超临界流体干燥技术制成了最初的真正意义上的气凝胶。这种材料的特点是透明、低密度、高孔隙率。但受当时科研手段的限制，这种材料的研制并没有引起科学界的重视。

上世纪七十年代，在法国政府的支持下，Stanislaus Teichner在寻找一种用于存储氧和火箭燃料的多孔材料的过程中，找到一种新的合成方法，即把溶胶- 凝胶化学方法用于二氧化硅气凝胶的制备中。这种方法推动了气凝胶科学的发展。

此后，气凝胶科学和技术得到了快速发展。1983年Arlon Hunt 在Berkeley 实验室发现可用更安全、更廉价的二氧化硅气凝胶制作方法。与此同时，微结构材料研究小组发现可用具有更低临界温度和临界压力的二氧化碳超临界流体取代乙醇作为超临界干燥的流体，使得超临界干燥技术得以向实用化阶段迈进。

八十年代后期，研究者在LLNL 制备了世界上最轻的二氧化硅气凝胶，密度是0.003 g/cm 3，仅有空气的3倍。不久之后，Rick Pekala(LLNL) 制备了有机气凝胶，包括间苯二酚-甲醛气凝胶、三聚氰胺-甲醛气凝胶。间苯二酚-甲醛气凝胶能够被热解得到纯碳气凝胶，该方法开创了气凝胶研究的新领域。

进入九十年代以后，对于气凝胶领域的研究更为深入。据不完全统计，近年来在各类杂志上有关气凝胶的文章以达三千多篇。美国的Science 杂志把气凝胶列为十大热门科学之一。

三、二氧化硅气凝胶的原理

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％。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。

四、二氧化硅气凝胶的溶胶凝胶工艺

1、水量对Si02溶胶-凝胶的影响

研究认为，随着水相对TEOS 的增加，凝胶

时间基本呈明显的线性下降，这与TEOS 的水解

速率受水量影响一致。但如果水相对TEOS 超过

水解反应的理论物质的量比4以后，水作为缩

聚反应的生成物又会使凝胶时间逐渐延长。研

究发现水量的相对增加对成品性能(如密度)有

显著不利的影响，认为凝胶中水分的增加提高

了后续工艺的难度，容易导致收缩的显著加

剧。

2、 温度对二氧化硅气凝胶的影响

温度升高有利于溶胶微粒的相互碰撞而凝结，认为与凝胶时间基本成反比关系，但过高的温度容易导致结构的不均与粗大，因此一般研究中凝胶温度应低于70℃。

通过研究发现，低温下制备二氧化硅气凝胶发现低温下溶胶-凝胶反应仍然能进

OC 2H 5 Si OC 2H 5 OC 2H 5

H 5C 2O ＋ 4H 2O OH Si

OH OH HO ＋ 4C 2H 5OH

HO Si

OH OH OH ＋ HO Si OH OH OH Si HO Si O OH OH OH OH OH ＋ H 2O OH OH Si OH OH HO Si O HO ＋ H 2O 2H 2O SiO 2

＋ 水解 缩聚 脱水