二氧化矽氣凝膠的熱學特性及其應用

二氧化矽氣凝膠是一種合成的無定形矽膠,與結晶矽膠顯著不同。矽膠分子由一個矽原子和兩個氧原子構成。如下圖所示,矽膠有兩種基本形式:無定形矽膠和結晶矽膠。如果矽膠分子排列整齊並且形成可重復樣式,則為結晶矽膠。如果矽膠分子排列不整齊,則為無定形矽膠。

二氧化矽氣凝膠又被稱作“藍煙”、“固體煙”,是目前已知的最輕的固體材料,也是迄今為止保溫性能最好的材料。因其具有納米多孔結構(1~100nm)、低密度(3~250kg/m3)、低介電常數(1.1~2.5)、低導熱系數(0.013~0.025W/(m·k))、高孔隙率(80~99.8%)、高比表面積(500~1000m2/g)等特點,在力學、聲學、熱學、光學等諸方面顯示出獨特性質,在航天、軍事、石油、化工、礦產、通訊、醫用、建材、電子、冶金等眾多領域有著廣泛而巨大的應用價值,被稱為“改變世界的神奇材料”。

二氧化矽氣凝膠的熱學特性及其應用

二氧化矽氣凝膠

一、熱學特性及其應用

1、二氧化矽氣凝膠熱學特性

氣凝膠的納米多孔結構使它具有極佳的絕熱性能,其熱導率甚至比空氣還要低,空氣在常溫真空狀態下的熱導率為0.026W/(m·k),而氣凝膠在常溫常壓下的熱導率一般小於0.020W/(m·k),在抽真空的狀態下,熱導率可低至0.004W/(m·k)。

氣凝膠之所以具有如此良好的絕熱特性與它的高孔隙率有關。熱量的傳導主要通過三種途徑來進行,氣體傳導,固體傳導,輻射傳導。在這三種方式中,通過氣體傳導的熱量是很小的,因此大部分氣體都具有非常低的熱導率。常用的絕熱材料都是多孔結構,其正是利用瞭空氣占據瞭固體材料的一部分體積,從而降低瞭材料整體的熱導率。氣凝膠的孔隙率比普通絕熱材料要大得多,其95%以上都是由空氣構成,決定瞭其將具有與空氣一樣低的熱導率。而且氣凝膠中包含大量孔徑小於70nm的孔,70nm是空氣中主要成分氮氣和氧氣的自由程(氣體分子兩次碰撞之間的時間內經過的路程的統計平均值),因此意味著空氣在氣凝膠中將無法實現對流,使得氣態熱導率進一步降低。氣凝膠中含量極少的固體骨架也是由納米顆粒組成,其接觸面積非常小,使得氣凝膠同樣具有極小的固態熱導率。氣凝膠的熱輻射傳導主要為發生在3-5μm區域內的紅外熱輻射,其在常溫下能夠有效的阻擋紅外熱輻射,但隨著溫度的升高,紅外熱輻射透過性增強。為瞭進一步降低高溫紅外熱輻射,通常向氣凝膠中加入遮光劑,如碳黑、二氧化鈦等,遮光劑的使用能夠大大降低高溫下的紅外熱輻射。

2、二氧化矽氣凝膠應用

SiO2氣凝膠作為一種納米孔超級絕熱材料,除具有極低的熱導率之外還具有超輕質以及高熱穩定性的特性,它在工業、民用、建築、航天及軍事等領域具有非常廣泛的應用。

1)、傳統工業領域

如石化行業、化工行業、冶金行業等等,管道、爐窯及其它熱工設備普遍存在,用氣凝膠隔熱材料替代傳統的保溫材料,節能效果明顯。  太陽能利用   具有高度透光率及低熱導率的氣凝膠對入射光幾乎沒有反射損失,能有效地透過太陽光,因此氣凝膠特別適合於用作太陽能集熱器及其它集熱裝置的保溫隔熱材料,當太陽光透過氣凝膠進入集熱器內部,內部系統將太陽光的光能轉化為熱能,氣凝膠又能有效阻止熱量流失。

2)、節能建築

由於氣凝膠既具有絕熱特性,又具有吸聲特性,且具有透光性,因此可以將氣凝膠夾在雙層玻璃之間制成夾芯玻璃,其絕熱效果比普通的雙層玻璃高幾倍,且具有降噪效果。將這種玻璃用於房屋的窗戶,可以大大降低熱量流失,有明顯的節約能源的作用,以氣凝膠為夾層的窗玻璃的熱損失率比目前最好的窗系(氫氣充填並用低發射率的銦氧化物或銀作塗層)還要減少三分之二。如果將氣凝膠玻璃用於高層建築取代一般幕墻玻璃,將大大減輕建築物自重,並能起到防火作用。

3)、航空航天

與傳統隔熱材料相比,SiO2氣凝膠隔熱材料可以用更輕的質量、更小的體積達到更好的隔熱效果,這一特點在航空、航天應用領域具有極大的優勢。  氣凝膠可以作為飛機上使用的隔熱消音材料。據報道,航天飛機及宇宙飛船在重返大氣層時要經歷數千攝氏度的白熾高溫,保護其安全重回地球的絕熱材料正是SiO2氣凝膠。美國NASA在“火星流浪者”的設計中,使用瞭SiO2氣凝膠作為保溫層,用來抵擋火星夜晚的超低溫。

4)、軍事領域

SiO2氣凝膠可作為飛機機艙的隔熱層材料。可以作為核潛艇、蒸汽動力導彈驅逐艦的核反應堆、蒸發器、鍋爐以及復雜的高溫蒸汽管路系統的高效隔熱材料,可以增強隔熱效果,降低艙內溫度,同時有效降低隔熱材料的用量,增大艙內的使用空間,有效改善各種工作環境。

5)、傢電

用塊狀、顆粒狀或粉末狀的氣凝膠取代氟裡昂發制的聚氨酯泡沫作為冰箱等低溫系統的隔熱材料,可以防止氟裡昂氣體泄漏破壞大氣臭氧層,從而保護人類的生存環境。

6)、服裝

將二氧化矽氣凝膠作為冬季保暖服裝的襯料可以使服裝既輕質又保暖。

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