何為氣凝膠？

　　氣凝膠是世界上已知密度最低的人造發(fā)泡物質(zhì)。氣凝膠借由臨界干燥法將凝膠里的液體成分抽出。這種方法會(huì)令液體緩慢地被脫出，但不至于使凝膠里的固體結(jié)構(gòu)因?yàn)榘殡S的毛細(xì)作用被擠壓破碎。最早由美國(guó)科學(xué)工作者Kistler在1931年制得。氣凝膠的種類很多，有硅系，碳系，硫系，金屬氧化物系，金屬系等。氣凝膠擁有諸多優(yōu)異特性，其中熱學(xué)方面特性最受人們重視，也是最具產(chǎn)業(yè)化價(jià)值的，被譽(yù)為超級(jí)隔熱材料，其隔熱保溫上的應(yīng)用形式，主要為氣凝膠氈、氣凝膠板等。

　　氣凝膠也是一種固體物質(zhì)形態(tài)，世界上密度最小的固體之一。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠，但也有碳?xì)饽z存在。

　　因?yàn)槊芏葮O低，目前最輕的硅氣凝膠僅有3mg/cm3 ，比空氣重三倍，所以也被叫做“凍結(jié)的煙”或“藍(lán)煙”。由于里面的顆粒非常小（納米量級(jí)），所以可見光經(jīng)過它時(shí)散射較小（瑞利散射），就像陽(yáng)光經(jīng)過空氣一樣。因此，它也和天空一樣看著發(fā)藍(lán)，如果對(duì)著光看有點(diǎn)發(fā)紅。由于氣凝膠中99.8%以上是空氣，所以有非常好的隔熱效果，一寸厚的氣凝膠相當(dāng)20—30塊普通玻璃的隔熱功能。

　　氣凝膠在航天探測(cè)上也有多種用途，在俄羅斯“和平”號(hào)空間站和美國(guó)“火星探路者”的探測(cè)器上都有用到這種材料。氣凝膠也在粒子物理實(shí)驗(yàn)中，使用來(lái)作為切連科夫效應(yīng)的探測(cè)器。

氣凝膠

　　氣凝膠的特性？

　　氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量，有時(shí)也被稱為“固態(tài)煙”或“凍住的煙”。這種新材料看似脆弱不堪，其實(shí)非常堅(jiān)固耐用，最高能承受1400攝氏度的高溫。它可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力，此外它的導(dǎo)熱性和折射率也很低，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強(qiáng)39倍。

　　氣凝膠用在哪里？

　　（一）氣凝膠在石油化工方面的應(yīng)用

　　據(jù)報(bào)道操作人員在開采海底油田和氣田時(shí)的一項(xiàng)關(guān)鍵需求，是輸送未加工炭氫化合物的能力，它們經(jīng)常處于高溫高壓狀態(tài)下，而且沿海底的輸送距離也越來(lái)越長(zhǎng)。若沒有充分的絕熱，這些炭氫化合物將發(fā)生冷卻并生成水合物或蠟化，最終堵塞流送管，對(duì)操作人員產(chǎn)生巨大的成本，氣凝膠卓越的保溫性能可以很好的解決這一問題。

　　（二）氣凝膠在船舶上面的應(yīng)用

　　隨著遠(yuǎn)洋運(yùn)輸、海上油田的發(fā)展，與之配套的海上鉆井平臺(tái)、石油運(yùn)輸船、液化天然氣（LNG）船，液化石油氣（LPG）船等發(fā)展迅速。這些特種船舶對(duì)于隔熱保溫和防火分隔提出了更高的要求，也成為氣凝膠材料應(yīng)用新的平臺(tái)。

　　（三）氣凝膠在建筑方面的應(yīng)用

　　氣凝膠卓越的保溫性能讓他可以在建筑保溫方面具有十分強(qiáng)大的潛力，相對(duì)于目前使用的聚苯泡沫氣凝膠不僅保溫隔熱效果更好，而且不可燃燒，可以有效的防止火災(zāi)的發(fā)生。氣凝膠的耐老化性能也十分良好，可以保證外保溫體30年不老化。目前氣凝膠的成本相對(duì)較高，等將來(lái)工藝更加的優(yōu)化，成本下降，必將在建筑保溫方面大量應(yīng)用。同時(shí)由于氣凝膠的透光性，使其可以用來(lái)制作透光屋頂。

　　（四）氣凝膠在航空航天方面的應(yīng)用

　　目前，氣凝膠已經(jīng)在航空航天需要隔熱保溫的地方中大量使用。其中有一項(xiàng)就是在航空航天用熱電池上的應(yīng)用，使用氣凝膠材料作為隔熱保溫層完美的解決了航空航天對(duì)熱電池高性能的要求，下圖為某種熱電池的隔熱氣凝膠材料。

　　（五）氣凝膠在其他方面的應(yīng)用

　　氣凝膠卓越的隔熱保溫性能使得他在電化學(xué)、服裝、新能源、催化劑等方面也有十分強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。由于氣凝膠的孔隙都是納米級(jí)的，比表面積很大這使得他吸附能力較大，可以在用來(lái)做催化劑的載體；由于其吸附性，同時(shí)密度極低，所以也可以用來(lái)儲(chǔ)氫；他良好的保溫性可以用來(lái)制作服裝，只需要很薄的一層就可以達(dá)到很好的保溫效果；防彈不怕被炸，防彈是新型氣凝膠的第二個(gè)重要用途。美國(guó)宇航局的這家公司正在對(duì)用氣凝膠建造的住所和軍車進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)室的試驗(yàn)情況來(lái)看，如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠，那么，就算炸藥直接炸中，對(duì)金屬片也分毫無(wú)傷；可處理生態(tài)災(zāi)難，環(huán)保是新型氣凝膠的第三個(gè)重要作用。科學(xué)家們將氣凝膠親切地稱為“超級(jí)海綿”，因?yàn)槠浔砻嬗谐砂偕锨f(wàn)的小孔，所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。美國(guó)科學(xué)家新發(fā)明的氣凝膠現(xiàn)在居然能吸出水中的鉛和水銀。據(jù)這位科學(xué)家稱，這種氣凝膠是處理生態(tài)災(zāi)難的絕好材料；網(wǎng)球拍擊球能力更強(qiáng)，新型氣凝膠也將步入我們每個(gè)人的未來(lái)日常生活。比如說(shuō)美國(guó)的Dunlop體育器材公司已經(jīng)成功研發(fā)了氣凝膠制成的網(wǎng)球拍。這種網(wǎng)球拍據(jù)說(shuō)擊球的能力更強(qiáng)；今年年初，66歲的鮑博·斯托克成為第一個(gè)用氣凝膠建房子的英國(guó)人：“保溫加熱的效果非常好，我將空調(diào)的溫度下降了5℃，結(jié)果室內(nèi)的溫度仍然非常舒適。”登山者也對(duì)氣凝膠的運(yùn)用充滿了希望。英國(guó)登山家安尼·帕爾門特去年登珠峰時(shí)所穿的鞋子就是用氣凝膠制成的，他的睡袋里也有一層這種新材料。

　　氣凝膠的應(yīng)用前景？

　　●制作簡(jiǎn)便，其形狀、尺寸可任意調(diào)節(jié)。在世界已誕生的成果中，高超課題組制備的“碳海綿”仍是最輕紀(jì)錄保持者。可達(dá)到0.16毫克/立方厘米，低于氦氣的密度。

　　●大規(guī)模制造成可能。科學(xué)家聲稱，氣凝膠的基本制備原理是除去凝膠中的溶劑，讓其保留完整的骨架。在以往制備氣凝膠的案例中，科學(xué)家主要采用溶膠—凝膠法和模板導(dǎo)向法。前者可以批量合成，但是可控性差；后者能產(chǎn)生有序的結(jié)構(gòu)，但依賴于模板的精細(xì)結(jié)構(gòu)和尺寸，難以大量制備。浙江大學(xué)高分子系高超教授的課題組另辟蹊徑，探索出無(wú)模板冷凍干燥法：將溶解了石墨烯和碳納米管的水溶液在低溫下凍干，便獲得了“碳海綿”，并且可以任意調(diào)節(jié)形狀，令生產(chǎn)過程更加便捷，也使這種超輕材料的大規(guī)模制造和應(yīng)用成為可能。

　　●性能優(yōu)越，高彈性、強(qiáng)吸附，應(yīng)用前景廣闊。據(jù)專家介紹，“碳海綿”具備高彈性，被壓縮80%后仍可恢復(fù)原狀。它對(duì)有機(jī)溶劑具有超快、超高的吸附力，是迄今已報(bào)道的吸油力最高的材料。現(xiàn)有的吸油產(chǎn)品一般只能吸自身質(zhì)量10倍左右的液體，而“碳海綿”的吸收量是250倍左右，最高可達(dá)900倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有機(jī)物的速度極快：每克這樣的“碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機(jī)物。 20世紀(jì)，實(shí)驗(yàn)室正在對(duì)這一材料的吸附性能進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用性研究。科研人員聲稱，“碳海綿”還可能成為理想的相變儲(chǔ)能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效復(fù)合材料。不過很難準(zhǔn)確預(yù)計(jì)其應(yīng)用領(lǐng)域與前景，還得依靠社會(huì)以及產(chǎn)業(yè)界的想象力，讓這個(gè)新材料走出實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值。




 

責(zé)任編輯：王元

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