改变世界的神奇材料——气凝胶

气凝胶是世界最轻的固体材料,又被称为“蓝色的烟”、“凝固的烟”、“固体的烟”。其集众多优异特性于一身,如超低的导热系数、声传播速度、介电常数与折射率,高的吸能、比表面积与孔隙率,而且透明,在国防军工、航空航天、核工业以及民用领域有着广泛而巨大的应用前景和价值,被誉为“改变世界的神奇材料”。

气凝胶的14项吉尼斯世界纪录

  1. 最低密度的固体(<1.05kg/m³)
  2. 最宽的密度范围(>7×10²)
  3. 最小的孔径(~5nm)
  4. 最高的孔洞率(>99.9%)
  5. 最低的导热率(<0.015w/m·k)
  6. 最低的声速传播(<70m/s)
  7. 最低的介电常数(<1.003)
  8. 最低的折射率(<1.003)
  9. 最低的损耗角正切(<10-4)
  10. 最宽的压缩模量(>7×10^6)
  11. 最高的声阻抗(10^6 kg/)
  12. 最宽的折射率范围(116%)
  13. 最低的杨氏模量(<10^5 N/M²)
  14. 第一次实现从彗星采集样品

气凝胶起源与发展

(一)气凝胶发明于美国

气凝胶是1931年由美国斯坦福大学Kistler博士发明的。它的发明者之所以将其命名为气凝胶,主要是用空气替换凝胶,即在没有破坏凝胶固态结构的状况下,用空气将胶体中的液体组分替换出来。尽管这一有趣的材料拥有一些奇异的性质,但是,由于当时气凝胶制备工艺复杂且制造成本高昂等原因,加之又未发现气凝胶的应用价值,一直未引起重视。

(二)军工需求推动气凝胶应用

直到上世纪70年代,在法国军方火箭推进剂项目计划的支持下,Stanislaus Teichner等人找到一种新的凝胶合成方法,显著缩短了气凝胶制备周期,推进了气凝胶在航空航天、国防军工领域的应用。上世纪80年代,美国伯克利实验室的Russo等人开发出实用性更强的TEOS的使用和二氧化碳超临界干燥新技术后,才推动并使气凝胶的商业化生产成为可能。进入上世纪90年代以后,掀起了世界第一次气凝胶热潮,美国《Science》杂志把气凝胶列为十大热门科学之一。推动了气凝胶在航空航天、国防军工以及核工业领域的应用,如美国NASA的“星尘计划”项目、“火星登陆车计划”项目等。

进入21世纪,2002年,美国宇航局(NASA)下的Aspen system公司创立了世界上第一个商业化生产气凝胶保温材料的Aspen Aerogel公司,开始了气凝胶在民用领域的市场化应用。其后,美国Cabot公司通过收购德国气凝胶制备技术开始商业化生产透明气凝胶颗粒,推动了气凝胶的深度应用,应用上了一个台阶。近年来,美国的Nanopore公司、Aerojet公司等以及欧盟的德国BASF公司、Hoechst公司也加入到气凝胶的商业化应用开发中。

(三)我国气凝胶后来者居上

我国同济大学在上个世纪九十年代首次将气凝胶研究引入国内,其后国防科技大学、清华大学、哈尔滨工业大学、山东大学、南京工业大学、浙江大学、中南大学等众多高等院校相继进入气凝胶研究领域。绍兴纳诺高科公司2004年开始涉入气凝胶商业化活动,其后广东埃立生高科涉入气凝胶产业化,它们是我国最早涉入气凝胶商业化的企业。目前,国内已有几十家公司涉入气凝胶行业,但大部分均涉及气凝胶纤维复合保温材料技术领域。2013年中南大学卢斌博士团队攻克了气凝胶世界性难题-大尺寸完整透明气凝胶制备技术和成本高企问题,并与湖南上懿丰新材料科技有限公司开启了我国高端透明气凝胶的产业化进程。随着生产规模提升,未来成本仍有极大的降低空间,将极大地推进高端气凝胶的商业化进程。

气凝胶隔热原理

1、零对流效应

理论研究表明,当气凝胶中的气孔尺寸小于70nm时,由于空气和纳米纤细骨架之间的相互作用,空气分子失去了自由流动的能力,而是相对的附着在纳米纤细骨架上,导致气凝胶的热对流能力极低。

2、纳米纤细骨架阻热效应

热传导主要沿着构成气凝胶的三维网络结构的纳米纤细骨架进行,由于骨架纤细(~1nm),再者进一步延长了传热路径,导致气凝胶的传热能力接近最低极限。

3、多壁阻隔效应

热辐射波在气凝胶中会受到纳米纤细骨架和气孔之间界面的不断散射,由于气凝胶的气孔为纳米孔,且孔隙率极高,相当于增加了无数的散射中心,限制了辐射自由程,导致气凝胶的热辐射能力接近最低极限。

气凝胶应用领域

气凝胶之所以被国外誉为“改变二十一世纪的神奇材料”,不但因为其具有众多的优异特性和高性能化,而且还可广泛应用于亟需高性能化的众多领域:包括国防军工、航空航天、核工业、安保反恐以及传统工业节能减排、建筑节能、环境治理、新能源开发、交通运输以及民生工程领域等。

太空领域:用于开发太空探测、火箭等装备高性能的冷、热防护和着陆系统的抗冲击防护、太空粒子的捕获等。

国防军工领域:用于提高海军舰艇的动力装置热、声环境控制和舰艇隐身、舰艇的抗爆损伤性能等以及实现轻量化。用于提高空军飞机智能蒙皮、机身的抗爆损、发动机的热防护和重装空投设备着陆防护等性能以及轻量化。用于提高坦克、装甲战车等装备的热防护、防爆、隐身以及单兵防护装备等性能并减重。提高火箭、导弹等推进剂的安全防护水平等。用于核工业中的伦科夫核辐射介质检测和核装置的热、辐射的防护等。

建筑节能领域:用于发展高性能、智能化的节能门窗、玻璃幕墙以及采光顶等,发展装配式建筑的高性能隔热保温防火装饰一体化墙体构件或部品;高性能建筑钢结构防火涂料、高性能建筑功能涂料等。

工业节能减排领域:用于冶金、石油化工、石油运输、石油勘采、热电厂等行业中的设备和管道的高效节能降耗,工业废气和工业污水的无公害治理。

新能源开发领域:用于高效太阳能集热装置的透明保温材料、高效热电转化装置的隔热材料以及锂电池的高容量负极材料、燃料电池中的燃料储存部件等。

环境治理领域:用于污水中重金属、有害有机物等的高效吸附处理,危险物和石油泄漏的高效吸附紧急处理,大气污染物的捕获以及海水淡化设备中微量离子的高效去除。

交通运输领域:用于交通运输工具的透明与非透明围护结构的高效隔热保温、减振降噪,被动式防撞和防护部件,汽车尾气高效过滤装置等。

精细化工领域:用于高效化学合成(如高效催化剂、吸附剂、萃取剂等),开发高性能化妆品(如防晒、隔离霜等)、牙膏洗面奶中的新型摩擦剂和触变剂。

生物医药领域:用于开发癌症、糖尿病等新型药物载体、药物缓释剂、止血剂等。农药领域:高效杀菌剂、除草剂的载体等。

电子产品领域:用于超大集成电路的绝缘材料、高敏感传感器材料、高精度探测器材料以及高清显示屏幕减反射涂层材料等。

家用电器领域:用于透明冰箱、微波炉等高效节能材料,空气净化器、净水器的高效过滤、吸附材料等。

户外体育用品领域:用于超轻高效防寒服、野外帐篷等;金融、安防领域:运钞车、保险柜以及柜台等轻薄高效防弹、防爆材料;工艺品领域:室内污染物高效吸附的环保多功能装饰品等。

相关新闻

微信
微信
电话 QQ
分享本页
返回顶部