氣凝膠在不同領域的應用研究分析

在分形結構研究方面。氣凝膠行業市場調查分析報告顯示,矽氣凝膠作為一種結構可控的納米多孔材料,其表現密度明顯依賴於標度尺寸,在一定尺度范圍內,其密度往往具有標度不變性,即密度隨尺度的增加而下降,而且具有自相似結構,在氣凝膠分形結構動力學研究方面的結構還表明,在不同尺度范圍內,有三個色散關系明顯不同的激發區域,分別對應於聲子、分形子和粒子模的激發。改變氣凝膠的制備條件,可使其關聯長度在兩個量級的范圍內變化。因此矽氣凝膠已成為研究分形結構及其動力學行為的最佳材料。

在“863”高技術強激光研究方面。納米多孔材料具有重要應用價值,如利用低於臨界密度的多孔靶材料,可望提高電子碰撞激發產生的X光激光的光束質量,節約驅動能,利用微球形節點結構的新型多孔靶,能夠實現等離於體三維絕熱膨脹的快速冷卻,提高電子復合機制 產生的x光激光的增益系數,利用超低密度材料吸附核燃料,可構成激光慣性約束聚變的高增益冷凍靶。氣凝膠纖細的納米多孔網絡結構、巨大的比表面積、結構介觀尺度上可控,成為研制新型低密度靶的最佳候選材料。

在作為隔熱材料方面。矽氣凝膠纖細的納米網絡結構有效地限制瞭局域熱激發的傳播,其固態熱導率比相應的玻璃態材料低2—3個數量級。納米微孔洞抑制瞭氣體分子對熱傳導的貢獻。矽氣凝膠的折射率接近l,而且對紅外和可見光的湮滅系數之比達100以上,能有效地透過太陽光,並阻止環境溫度的紅外熱輻射,成為一種理想的透明隔熱材料,在太陽能利用和建築物節能方面已經得到應用。通過摻雜的手段,可進一步降低矽氣凝膠的輻射熱傳導,常溫常壓下摻碳氣凝膠的熱導率可低達0.013w/m·K,是目前熱導率最低的固態材料,可望替代聚氨脂泡沫成為新型冰箱隔熱材料。摻入二氧化鈦可使矽氣凝膠成為新型高溫隔熱材料,800K時的熱導率僅為0.03w/m·K,作為軍品配套新材料將得到進一步發展。

由於矽氣凝膠的低聲速特性,它還是一種理想的聲學延遲或高溫隔音材料。該材料的聲阻抗可變范圍較大(103—107 kg/m2·s),是一種較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料,如常用聲阻匝Zp=1.5×l07 kg/m2·s的壓電陶瓷作為超聲波的發生器和探測器,而空氣的聲阻隻有400 kg/m2·s。用厚度為l/4波長的矽氣凝膠作為壓電陶瓷與空氣的聲阻耦合材料.可提高聲波的傳輸效率,降低器件應用中的信噪比。初步實驗結果表明,密度在300 kg/m3左右的矽氣凝膠作為耦合材料,能使聲強提高30 dB,如果采用具有密度梯度的矽氣凝膠,可望得到更高的聲強增益。

在環境保護及化學工業方面。納米結構的氣凝膠還可作為新型氣體過濾 ,與其它材料不同的是該材料孔洞大小分佈均勻,氣孔率高,是一種高效氣體過濾材料。由於該材料特別大的比表而積.氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方而亦有廣闊的應用前景。

在儲能器件方面。有機氣凝膠經過燒結工藝處理後將得到碳氣凝膠 這種導電的多孔材料是繼纖維狀活性碳以後發展起來的一種新型碳素材料,它具有很大的比表面積(600—1000 m2/kg)和高電導率(10—25 s/cm).而且,密度變化范圍廣(0.05—1.0 g/cm3).如在其微孔洞內充入適當的電解液,可以制成新型可充電電池,它具有儲電容量大、內阻小、重量輕、充放電能力強、可多次重復使用等優異特性,初步實驗結果表明:碳氣凝膠的充電容量達3×104/kg2,功率密度為7 kw/kg,反復充放電性能良好。

在材料的量子尺寸效應研究方面。由於矽氣凝膠的納米網絡內形成量子點結構,化學氣相滲透法摻Si及溶液法摻C60的結果表明,摻雜劑是以納米晶粒的形式存在,並觀察到很強的可見光發射,為多孔矽的量子限制效應發光提供瞭有力證據。利用矽氣凝膠的結構以及C60的非線性光學效應,可進一步研制新型激光防護鏡。通過摻雜的方法還是形成納米復合相材料的有效手段。

此外,矽氣凝膠是折射率可調的材料,使用不同密度的氣凝膠介質作為切倫柯夫閥值探測器,可確定高能粒子的質量和能量。因高速粒子很容易穿入多孔材料並逐步減速,實現“軟著陸”,如選用透明氣凝膠在空間捕獲高速粒子,可用肉眼或顯微鏡觀察被阻擋、捕獲的粒子。

作為一種新型納米多孔材料,除矽氣凝膠外,已研制的還有其它單元、二元或多元氧化物氣凝膠、有機氣凝膠及碳氣凝膠。作為一種獨特的材料制備手段,相關的工藝在其它新材料研制中得到廣泛應用,如制備氣孔率極高的多孔矽、制備高性能催化劑的金屬—氣凝膠混合材料、高溫超導材料、超細陶瓷粉末等。

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