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气凝胶作用

研究领域

在分形结构研究方面。硅气凝胶作为一种结构可控的纳米多孔材料,其表现密度明显依赖于标度尺寸,在一定尺度范围内,其密度往往具有标度不变性,即密度随尺度的增加而下降,而且具有自相似结构,在气凝胶分形结构动力学研究方面的结构还表明,在不同尺度范围内,有三个色散关系明显不同的激发区域,分别对应于声子、分形子和粒子模的激发。改变气凝胶的制备条件,可使其关联长度在两个量级的范围内变化。因此硅气凝胶已成为研究分形结构及其动力学行为的最佳材料。  
1、在“863”高技术强激光研究方面
纳米多孔材料具有重要应用价值,如利用低于临界密度的多孔靶材料,可望提高电子碰撞激发产生的X光激光的光束质量,节约驱动能,利用微球形节点结构的新型多孔靶,能够实现等离于体三维绝热膨胀的快速冷却,提高电子复合机制 产生的x光激光的增益系数,利用超低密度材料吸附核燃料,可构成激光惯性约束聚变的高增益冷冻靶。气凝胶纤细的纳米多孔网络结构、巨大的比表面积、结构介观尺度上可控,成为研制新型低密度靶的最佳候选材料。
2、在作为隔热材料方面
硅气凝胶纤细的纳米网络结构有效地限制了局域热激发的传播,其固态热导率比相应的玻璃态材料低2—3个数量级。纳米微孔洞抑制了气体分子对热传导的贡献。硅气凝胶的折射率接近l,而且对红外和可见光的湮灭系数之比达100以上,能有效地透过太阳光,并阻止环境温度的红外热辐射,成为一种理想的透明隔热材料,在太阳能利用和建筑物节能方面已经得到应用。通过掺杂的手段,可进一步降低硅气凝胶的辐射热传导,常温常压下掺碳气凝胶的热导率可低达0.013w/m·K,是目前热导率最低的固态材料,可望替代聚氨脂泡沫成为新型冰箱隔热材料。掺入二氧化钛可使硅气凝胶成为新型高温隔热材料,800K时的热导率仅为0.03w/m·K,作为军品配套新材料将得到进一步发展。
由于硅气凝胶的低声速特性,它还是一种理想的声学延迟或高温隔音材料。该材料的声阻抗可变范围较大(103—107 kg/m2·s),是一种较理想的超声探测器的声阻耦合材料,如常用声阻匝Zp=1.5×l07 kg/m2·s的压电陶瓷作为超声波的发生器和探测器,而空气的声阻只有400 kg/m2·s。用厚度为l/4波长的硅气凝胶作为压电陶瓷与空气的声阻耦合材料.可提高声波的传输效率,降低器件应用中的信噪比。初步实验结果表明,密度在300 kg/m3左右的硅气凝胶作为耦合材料,能使声强提高30 dB,如果采用具有密度梯度的硅气凝胶,可望得到更高的声强增益。
在环境保护及化学工业方面。纳米结构的气凝胶还可作为新型气体过滤 ,与其它材料不同的是该材料孔洞大小分布均匀,气孔率高,是一种高效气体过滤材料。由于该材料特别大的比表而积.气凝胶在作为新型催化剂或催化剂的载体方而亦有广阔的应用前景。
3、在储能器件方面
有机气凝胶经过烧结工艺处理后将得到碳气凝胶 这种导电的多孔材料是继纤维状活性碳以后发展起来的一种新型碳素材料,它具有很大的比表面积(600—1000 m2/g)和高电导率(10—25 s/cm).而且,密度变化范围广(0.05—1.0 g/cm3).如在其微孔洞内充入适当的电解液,可以制成新型可充电电池,它具有储电容量大、内阻小、重量轻、充放电能力强、可多次重复使用等优异特性,初步实验结果表明:碳气凝胶的充电容量达3×104/kg2,功率密度为7 kw/kg,反复充放电性能良好。
在材料的量子尺寸效应研究方面。由于硅气凝胶的纳米网络内形成量子点结构,化学气相渗透法掺Si及溶液法掺C60的结果表明,掺杂剂是以纳米晶粒的形式存在,并观察到很强的可见光发射,为多孔硅的量子限制效应发光提供了有力证据。利用硅气凝胶的结构以及C60的非线性光学效应,可进一步研制新型激光防护镜。通过掺杂的方法还是形成纳米复合相材料的有效手段。
此外,硅气凝胶是折射率可调的材料,使用不同密度的气凝胶介质作为切伦柯夫阀值探测器,可确定高能粒子的质量和能量。因高速粒子很容易穿入多孔材料并逐步减速,实现“软着陆”,如选用透明气凝胶在空间捕获高速粒子,可用肉眼或显微镜观察被阻挡、捕获的粒子。
作为一种新型纳米多孔材料,除硅气凝胶外,已研制的还有其它单元、二元或多元氧化物气凝胶、有机气凝胶及碳气凝胶。作为一种独特的材料制备手段,相关的工艺在其它新材料研制中得到广泛应用,如制备气孔率极高的多孔硅、制备高性能催化剂的金属—气凝胶混合材料、高温超导材料、超细陶瓷粉末等。

研究单位

2013年国际上关于气凝胶材料的研究工作主要集中在德国的维尔茨堡大学、BASF公司、美国的劳伦兹·利物莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室,法国的蒙彼利埃材料研究中心,日本高能物理国家实验室等。国内主要集中在同济大学波尔固体物理实验室、国防科技大学、清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、纳诺科技有限公司及广东埃力生高新科技有限公司。

其他用途

1、制作火星探险宇航服
2002年,美国宇航局成立了一家公司,专门生产更结实更有韧性的气凝胶。美国宇航局2013年已经确定,在2018年火星探险时,宇航员们将穿上用新型气凝胶制造的宇航服。该公司的资深科学家马克·克拉杰沃斯基说,只要在宇航服中加入一个18毫米厚的气凝胶层,那么它就能帮助宇航员扛住1300℃的高温和零下130℃的超低温。“这是我见过的最有效的恒温材料。”马克如是说。
2、防弹不怕被炸
防弹是新型气凝胶的第二个重要用途。美国宇航局的这家公司正在对用气凝胶建造的住所和军车进行测试。根据试验室的试验情况来看,如果在金属片上加一层厚约6毫米的气凝胶,那么,就算炸药直接炸中,对金属片也分毫无伤。
3、可处理生态灾难
环保是新型气凝胶的第三个重要作用。科学家们将气凝胶亲切地称为“超级海绵”,因为其表面有成百上千万的小孔,所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。美国科学家新发明的气凝胶居然能吸出水中的铅和水银。据这位科学家称,这种气凝胶是处理生态灾难的绝好材料,比如说1996年“海上快车”油轮沉没后,72000吨原油外泄,如果当时用上这种材料的话,那么就不会导致整个海岸受到严重的污染。
4、网球拍击球能力更强
新型气凝胶也将步入我们每个人的未来日常生活。比如说美国的Dunlop体育器材公司已经成功研发了含有气凝胶的网球拍。这种网球拍据说击球的能力更强;2012年年初,66岁的鲍博·斯托克成为第一个将气凝胶用于住房的英国人:“保温加热的效果非常好,我将空调的温度下降了5℃,结果室内的温度仍然非常舒适。”登山者也对气凝胶的运用充满了希望。英国登山家安尼·帕尔门特2011年登珠峰时所穿的鞋子就是使用了部分气凝胶材料,他的睡袋里也有一层这种新材料。