气凝胶相关介绍

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”。

14项吉尼斯世界纪录

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最低密度的固体(<1.05kg/m³)

最宽的密度范围(>7×10²)

最小的孔径(~5nm)

最高的孔洞率(>99.9%)

最低的导热率(<0.015w/m·k)

最低的声速传播(<70m/s)

最低的介电常数(<1.003)

最低的折射率(<1.003)

最低的损耗角正切(<10^-4)

最宽的压缩模量(>7×10^6)

最高的声阻抗(10^6 kg/㎡s)

最宽的折射率范围(116%)

最低的杨氏模量(<10^5 N/M²)

第一次实现从彗星采集样品

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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。

 

气凝胶超绝热原理

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。

气凝胶相关介绍

 

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