改變世界的神奇材料——氣凝膠

氣凝膠是世界最輕的固體材料,又被稱為“藍色的煙”、“凝固的煙”、“固體的煙”。其集眾多優異特性於一身,如超低的導熱系數、聲傳播速度、介電常數與折射率,高的吸能、比表面積與孔隙率,而且透明,在國防軍工、航空航天、核工業以及民用領域有著廣泛而巨大的應用前景和價值,被譽為“改變世界的神奇材料”。

氣凝膠的14項吉尼斯世界紀錄

  1. 最低密度的固體(<1.05kg/m³)
  2. 最寬的密度范圍(>7×10²)
  3. 最小的孔徑(~5nm)
  4. 最高的孔洞率(>99.9%)
  5. 最低的導熱率(<0.015w/m·k)
  6. 最低的聲速傳播(<70m/s)
  7. 最低的介電常數(<1.003)
  8. 最低的折射率(<1.003)
  9. 最低的損耗角正切(<10-4)
  10. 最寬的壓縮模量(>7×10^6)
  11. 最高的聲阻抗(10^6 kg/)
  12. 最寬的折射率范圍(116%)
  13. 最低的楊氏模量(<10^5 N/M²)
  14. 第一次實現從彗星采集樣品

氣凝膠起源與發展

(一)氣凝膠發明於美國

氣凝膠是1931年由美國斯坦福大學Kistler博士發明的。它的發明者之所以將其命名為氣凝膠,主要是用空氣替換凝膠,即在沒有破壞凝膠固態結構的狀況下,用空氣將膠體中的液體組分替換出來。盡管這一有趣的材料擁有一些奇異的性質,但是,由於當時氣凝膠制備工藝復雜且制造成本高昂等原因,加之又未發現氣凝膠的應用價值,一直未引起重視。

(二)軍工需求推動氣凝膠應用

直到上世紀70年代,在法國軍方火箭推進劑項目計劃的支持下,Stanislaus Teichner等人找到一種新的凝膠合成方法,顯著縮短瞭氣凝膠制備周期,推進瞭氣凝膠在航空航天、國防軍工領域的應用。上世紀80年代,美國伯克利實驗室的Russo等人開發出實用性更強的TEOS的使用和二氧化碳超臨界幹燥新技術後,才推動並使氣凝膠的商業化生產成為可能。進入上世紀90年代以後,掀起瞭世界第一次氣凝膠熱潮,美國《Science》雜志把氣凝膠列為十大熱門科學之一。推動瞭氣凝膠在航空航天、國防軍工以及核工業領域的應用,如美國NASA的“星塵計劃”項目、“火星登陸車計劃”項目等。

進入21世紀,2002年,美國宇航局(NASA)下的Aspen system公司創立瞭世界上第一個商業化生產氣凝膠保溫材料的Aspen Aerogel公司,開始瞭氣凝膠在民用領域的市場化應用。其後,美國Cabot公司通過收購德國氣凝膠制備技術開始商業化生產透明氣凝膠顆粒,推動瞭氣凝膠的深度應用,應用上瞭一個臺階。近年來,美國的Nanopore公司、Aerojet公司等以及歐盟的德國BASF公司、Hoechst公司也加入到氣凝膠的商業化應用開發中。

(三)我國氣凝膠後來者居上

我國同濟大學在上個世紀九十年代首次將氣凝膠研究引入國內,其後國防科技大學、清華大學、哈爾濱工業大學、山東大學、南京工業大學、浙江大學、中南大學等眾多高等院校相繼進入氣凝膠研究領域。紹興納諾高科公司2004年開始涉入氣凝膠商業化活動,其後廣東埃立生高科涉入氣凝膠產業化,它們是我國最早涉入氣凝膠商業化的企業。目前,國內已有幾十傢公司涉入氣凝膠行業,但大部分均涉及氣凝膠纖維復合保溫材料技術領域。2013年中南大學盧斌博士團隊攻克瞭氣凝膠世界性難題-大尺寸完整透明氣凝膠制備技術和成本高企問題,並與湖南上懿豐新材料科技有限公司開啟瞭我國高端透明氣凝膠的產業化進程。隨著生產規模提升,未來成本仍有極大的降低空間,將極大地推進高端氣凝膠的商業化進程。

氣凝膠隔熱原理

1、零對流效應

理論研究表明,當氣凝膠中的氣孔尺寸小於70nm時,由於空氣和納米纖細骨架之間的相互作用,空氣分子失去瞭自由流動的能力,而是相對的附著在納米纖細骨架上,導致氣凝膠的熱對流能力極低。

2、納米纖細骨架阻熱效應

熱傳導主要沿著構成氣凝膠的三維網絡結構的納米纖細骨架進行,由於骨架纖細(~1nm),再者進一步延長瞭傳熱路徑,導致氣凝膠的傳熱能力接近最低極限。

3、多壁阻隔效應

熱輻射波在氣凝膠中會受到納米纖細骨架和氣孔之間界面的不斷散射,由於氣凝膠的氣孔為納米孔,且孔隙率極高,相當於增加瞭無數的散射中心,限制瞭輻射自由程,導致氣凝膠的熱輻射能力接近最低極限。

氣凝膠應用領域

氣凝膠之所以被國外譽為“改變二十一世紀的神奇材料”,不但因為其具有眾多的優異特性和高性能化,而且還可廣泛應用於亟需高性能化的眾多領域:包括國防軍工、航空航天、核工業、安保反恐以及傳統工業節能減排、建築節能、環境治理、新能源開發、交通運輸以及民生工程領域等。

太空領域:用於開發太空探測、火箭等裝備高性能的冷、熱防護和著陸系統的抗沖擊防護、太空粒子的捕獲等。

國防軍工領域:用於提高海軍艦艇的動力裝置熱、聲環境控制和艦艇隱身、艦艇的抗爆損傷性能等以及實現輕量化。用於提高空軍飛機智能蒙皮、機身的抗爆損、發動機的熱防護和重裝空投設備著陸防護等性能以及輕量化。用於提高坦克、裝甲戰車等裝備的熱防護、防爆、隱身以及單兵防護裝備等性能並減重。提高火箭、導彈等推進劑的安全防護水平等。用於核工業中的倫科夫核輻射介質檢測和核裝置的熱、輻射的防護等。

建築節能領域:用於發展高性能、智能化的節能門窗、玻璃幕墻以及采光頂等,發展裝配式建築的高性能隔熱保溫防火裝飾一體化墻體構件或部品;高性能建築鋼結構防火塗料、高性能建築功能塗料等。

工業節能減排領域:用於冶金、石油化工、石油運輸、石油勘采、熱電廠等行業中的設備和管道的高效節能降耗,工業廢氣和工業污水的無公害治理。

新能源開發領域:用於高效太陽能集熱裝置的透明保溫材料、高效熱電轉化裝置的隔熱材料以及鋰電池的高容量負極材料、燃料電池中的燃料儲存部件等。

環境治理領域:用於污水中重金屬、有害有機物等的高效吸附處理,危險物和石油泄漏的高效吸附緊急處理,大氣污染物的捕獲以及海水淡化設備中微量離子的高效去除。

交通運輸領域:用於交通運輸工具的透明與非透明圍護結構的高效隔熱保溫、減振降噪,被動式防撞和防護部件,汽車尾氣高效過濾裝置等。

精細化工領域:用於高效化學合成(如高效催化劑、吸附劑、萃取劑等),開發高性能化妝品(如防曬、隔離霜等)、牙膏洗面奶中的新型摩擦劑和觸變劑。

生物醫藥領域:用於開發癌癥、糖尿病等新型藥物載體、藥物緩釋劑、止血劑等。農藥領域:高效殺菌劑、除草劑的載體等。

電子產品領域:用於超大集成電路的絕緣材料、高敏感傳感器材料、高精度探測器材料以及高清顯示屏幕減反射塗層材料等。

傢用電器領域:用於透明冰箱、微波爐等高效節能材料,空氣凈化器、凈水器的高效過濾、吸附材料等。

戶外體育用品領域:用於超輕高效防寒服、野外帳篷等;金融、安防領域:運鈔車、保險櫃以及櫃臺等輕薄高效防彈、防爆材料;工藝品領域:室內污染物高效吸附的環保多功能裝飾品等。

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