氣凝膠讓我們告別“棉衣” 刷新世界上最輕材料紀錄

吉尼斯世界紀錄有非常多奇怪的項目,比如說世界上最寬的嘴,最長的指甲,一分鐘踢腿24次等等。有一種固體也被列入吉尼斯世界紀錄。它就是氣凝膠,又稱為幹凝膠,在吉尼斯紀錄中,它是“世界上最輕的固體”。隨著技術的不斷進步,氣凝膠離我們的生活也是越來越近。

獨特性能用途廣泛

氣凝膠是目前已知的世界上最輕、保溫性能最好的固體材料,具有超輕質、極低熱導率、高熱穩定性、高吸附性、高吸能、隔音等特性,還具有膨脹作用、觸變作用、離漿作用,這使其不僅具有良好的延展性,還擁有透氣、防火、吸收油和水的優良性質。

由於其具有極好地低聲速特性,氣凝膠是一種理想的聲學延遲及高溫隔音材料。氣凝膠材料的聲阻抗可變范圍較大,是一種較理想的超聲探測器的聲阻藕合材料。氣凝膠高孔隙率且超輕質的特點,也使其成為最佳的水聲反聲材料,如在潛艇外殼上使用氣凝膠材料可使其具有良好的水聲反聲效果,又不增加潛艇的重量。

目前浙江大學高分子課題組制備出一種超輕氣凝膠。它刷新世界上最輕材料的紀錄,擁有高彈性和強吸油能力。這種被稱為“全碳氣凝膠”的固態材料密度為每立方厘米0.16毫克,僅是空氣密度的1/6。

由於氣凝膠中一般80%以上是空氣,所以有非常好的隔熱效果,一寸厚的氣凝膠相當20-30塊普通玻璃的隔熱功能。即使把氣凝膠放在玫瑰與火焰之間,玫瑰也會絲毫無損。

氣凝膠應用領域非常廣泛,它可以用於高鐵輕量化、環境治理、藥物載體等方面,如果用在服裝領域,那我們冬天隻需要穿一件3毫米厚的氣凝膠佈料制作的衣服就可以。

如果在氣凝膠表面塗覆各種甲基化合物,其吸油能力就相當於其他市面上銷售的吸附劑材料的7倍。它還可以用作建築物中的隔熱或隔音材料,或當塗覆胺基化合物時,就可以成為一個過濾器,用來過濾可重復使用面罩中的灰塵顆粒和二氧化碳。研究人員還在研究改造氣凝膠的表面,旨在通過改造使材料吸附有毒氣體,如一氧化碳等。

氣凝膠因其表面有成百上千萬的小孔,所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。如碳海綿氣凝膠對油具有超快、超高的吸附力,是目前吸油能力最強的材料。吸油量是它自身重量的250倍,最高可達900倍,神奇的是,碳海綿隻吸油不吸水。

軍工作用無物可替

氣凝膠作為一種前沿材料,使其在軍工方面得以大展拳腳。

2002年美國宇航局將航天材料技術轉為工業應用,利用超臨界技術生產氣凝膠氈制品,被稱為工業領域革命性的保溫方案。此後科研院所、工業企業紛紛開始涉獵氣凝膠的研究與應用,國際上迎來瞭研發氣凝膠制品的一個浪潮。

2016年11月3日我國新一代大運力運載火箭“長征五號”在海南文昌衛星發射中心成功首飛。其中為火箭燃氣管路系統提供隔熱保溫的,就是我國自主研制的高性能納米氣凝膠隔熱氈。氣凝膠除能被應用在航空航天領域,還可應用於石油化工、高鐵、油田等領域,目前也正在向民用領域拓展。

氣凝膠最佳用途可能要算用作消防員外套制服的保護性隔熱材料。當把氣凝膠塗覆阻燃化學品時,就能讓宇航服夠承受高達620oC的溫度。而氣凝膠重量僅為目前消防員外套使用的保護性絕緣材料的10%左右,且更柔軟、更舒適。

防彈是新型氣凝膠在軍工方面的第二個重要用途。美國宇航局的這傢公司正在對用氣凝膠建造的住所和軍車進行測試。根據試驗室的試驗情況來看,如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠,那麼,就算炸藥直接炸中,對金屬片也分毫無傷。

有專傢表示,從目前的情況來看美國和中國是全球氣凝膠科研、生產、應用領域的主要國傢。

民用領域施展拳腳

隨著技術的發展,氣凝膠在紡織、化工、石化、冶金、管道、熱工設備、建築、航天及軍事等領域都具有非常廣泛的應用價值與潛力。

氣凝膠在建築領域的應用極其廣泛。用兩片玻璃夾住一片氣凝膠,這種“三明治結構”的氣凝膠玻璃可以在不增重、不增厚的前提下,提高建築性能。氣凝膠玻璃具有防火和吸能特性,可改善目前玻璃遇火爆炸、抗風壓差等問題,提高建築的安全等級;氣凝膠玻璃的隔熱功能,可以讓建築物內“冬暖夏涼”,提高室內舒適度。此外,通過與其他技術結合,氣凝膠玻璃還能變色、光伏發電,實現建築物的個性化建設。

目前氣凝膠作為一種保溫非織造佈材料,已開始在建築上應用。現在人們已把氣凝膠應用在蒙古包上。使用氣凝膠氈作為保溫層,隻需要50mm厚度就可以達到75%節能效果。

隨著戶外運動興起,越來越多的人參加到這一潮流中。但常規的臃腫的保暖服裝讓參加戶外運動的人員很難在運動中舒展身軀,而加入氣凝膠材料的運動服裝就可以很好解決這方面的問題,穿著以後不但有著良好的保溫性能,還可方便人員的運動,效果非常理想。

2018年10月9日,Supield素湃科技氣凝膠衣服正式上線京東眾籌,僅用8小時,眾籌金額便突破百萬;產品上線一周,眾籌總額已超過六百萬。這款利用氣凝膠制造的服裝,面料的重量僅有60g/m2,厚度僅0.5mm,熱導系數達0.0191(W/(m·K),真可謂是“輕若鴻毛、薄如蟬翼、暖若晗陽”。這種具有獨傢專利的紡織專用氣凝膠復合保暖材料,可以依靠僅僅3mm的厚度,抗衡-196℃的嚴寒,保溫效果遠超40mm厚羽絨服。這款面料成功生產為服裝開始推向市場,可以說是掀起一場服裝界材料革命。

據介紹,這款氣凝膠服裝在零下173℃的液氮噴射測試中,衣服的內部溫度仍可保持在28℃左右,而在20℃氣溫下穿著時,也依然能保持舒適體感而不過熱。據瞭解,目前這款衣服售價在2000元左右,價格已降低到公眾可以接受程度,受到消費者追捧,市場反響火爆。

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