氣凝膠材料發展歷程

世界上第一個氣凝膠產品是1931年制備出的。當時,美國加州太平洋大學(College of the Pacific)的Steven.S. Kistler提出要證明一種具有相同尺寸的連續網絡結構的固體“凝膠”,其形狀與濕凝膠一致。證明這種設想的簡單方法,是從濕凝膠中驅除液體而不破壞固體形狀。如按照通常的技術路線,很難做到這一點。如果隻是簡單地讓濕凝膠幹燥,凝膠將會收縮,常常是原來的形狀破壞,破裂成小碎片。也就是說,這種收縮經常是伴隨著凝膠的嚴重破裂。Kistler推測:凝膠的固體構成是多微孔的,液體蒸發時的液一氣界面存在較大的表面張力,該表面張力使孔道坍塌。此後,Kistler發現瞭氣凝膠制備的關鍵技術(Kistler, 1932)。這項發現之後,隨著加入到這個領域的研究人員的增加,氣凝膠科學技術有瞭快速發展。下面是一些著名的成果:

(1) 20世紀80年代初期,粒子物理學傢認識到SiO 2 氣凝膠將是制造切侖科夫(Cherenkov)探測器的理想介質材料,試驗需要大量的透明SiO 2 氣凝膠。他們使用TMOS方法,制造瞭兩個大探測器:一個是在德國漢堡的DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron)實驗室的TASSO探測器,使用瞭1700升SiO 2 氣凝膠;另一個是歐洲粒子物理研究所(CERN)制造的探測器,使用瞭由瑞典蘭德大學(University of Lund)制備的1000升Si0 2 氣凝膠。

(2)使用TMOS方法,制備Si0 2 氣凝膠塊狀材料的第一個試驗工廠(中試廠)是由蘭德大學的研究人員在瑞典的斯喬波(S jobo)建立的。工廠使用瞭3000升的高壓反應釜,以滿足使用超臨界甲醇(240℃,80個大氣壓)所需的高溫高壓。可是,在1984年高壓釜在生產過程中發生泄漏,廠房內很快充滿瞭甲醇蒸氣,隨之發生瞭爆炸。幸運的是,在這次事故中未造成人員傷亡,但設備完全報廢瞭。後來,工廠重建,繼續使用 TMOS方法生產SiO 2 氣凝膠。現在,這傢工廠由Airglass公司管理。

(3) 1983年,伯克利實驗室((Berkeley Lab)的微結構材料研究組(Microstructured Materials Group)發現毒性非常大的化合物TMOS可用正矽酸乙脂(TEOS)替代,TEOS是比較安全的試劑,使用TEOS不降低氣凝膠產品的質量。

(4)微結構材料研究組(Microstructured Materials Group)也發現,在進行超臨界幹燥之前,凝膠中的乙醇能用液態CO 2 替換,而不會對氣凝膠產生不良影響。在安全性方面,這又是一個極大的進步,因為在CO 2 的臨界點(31.0 C , 7.3MPa)的操作條件要比甲醇的臨界點(239.40℃, 8.09MPa)的操作容易控制。此外,C0 2 沒有爆炸的危險。這種技術被用於由TEOS制備透明的SiO 2 氣凝膠材料。德國BASF公司同時發明瞭由矽酸鈉制備SiO 2 氣凝膠小珠的CO 2 取代方法,這種材料直到1996年才開始投產,商品名為“BASOGEL”。

(5) 1985年,德國維爾茲堡大學物理所的Jochen Fricke教授在維爾茲堡組織瞭首屆“氣凝膠國際研討會”(International Symposium on Aerogels,簡稱ISA)在這次會議上收到瞭世界各地的研究人員提交的25篇論文。隨後,ISA分別於1988年在法國的蒙彼利埃、1991年在德國的維爾茲堡、1994年在美國的伯克利舉行。其中參加1994年的第四屆ISA會議的人員有151名,10個特約報告,51篇投稿,35篇展報。第五、六界ISA會議分別於1997年和2000年在法國的蒙彼利埃及美國新墨西哥州的阿爾伯克基市(Albuquerque)舉行。

(6) 20世紀80年代後期,由Larry Hrubesh領導的LLNL實驗室(Lawrence Livermore National Laborato動研究人員制備出世界上密度最小的CO 2 氣凝膠(並且是密度最小的固體材料),氣凝膠的密度為0.003g/cm3,僅是空氣密度的3倍。

(7)美國的噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)制備的氣凝膠已經在航天飛機宇宙飛行中執行瞭幾次特別任務,這些低密度的氣凝膠被用來收集高速的宇宙塵埃樣品(Tsou, 1995) ,和航天飛機隔熱,氣凝膠作為超級隔熱材料受到重視,研發重心轉移到美國。

(8)1999年美國Aspen Systems公司承接美國宇航局的課題制備出纖維復合的氣凝膠超級絕熱材料,2001年成立瞭Aspen Aerogel公司進行氣凝膠的商業化運作,尤其開啟氣凝膠作為超級絕熱材料產業化熱潮。

(9)2004年國內第一傢從事氣凝膠材料產業化的公司納諾高科成立,2014年浙江聖諾節能技術有限公司成立,推出瞭當前最先進的氣凝膠技術和氣凝膠產品。

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