气凝胶——超级绝热保温材料.doc

气凝胶——改变世界的神奇材料 二氧化硅气凝胶又被称作“蓝烟”、“固体烟”，是目前已知的最轻的固体材料，也是迄今为保温性能最好的材料。因其具有纳米多孔结构(1~100nm)、低密度(1～500kg/m3)、低介电常数（1.1~2.5）、低导热系数（0.003~0.025 w/m?k）、高孔隙率(80％～99 8％)、高比表面积(200~1000m2/g)等特点，在力学、声学、热学、光学等诸方面显示出独特性质，在航天、军事、通讯、医用、建材、电子、冶金等众多领域有着广泛而巨大的应用前景，被称为“改变世界的神奇材料”。 气凝胶的特性及应用 特性应用热学在所有固体材料中热导率最低，轻质， 透明，建筑节能材料， 保温隔热材料， 浇铸用模具等。密度超低密度材料 （最低可达3kg/m3）ICF以及X光激光靶孔隙率高比表面积， 多组分。催化剂，吸附剂，缓释剂、离子交换剂、传感器等光学低折射率， 透明， 多组分, Cherenkov探测器， 光波导， 低折射率光学材料及其它器件声学低声速声耦合器件电学低介电常数， 高介电强度， 高比表面积。微电子行业中的介电材料， 电极，超级电容器机械弹性， 轻质。高能吸收剂， 高速粒子捕获剂 气凝胶的发展 世界上第一个气凝胶产品是1931年制备出的。当时，美国加州太平洋大学（College of the Pacific）的Steven.S. Kistler提出要证明一种具有相同尺寸的连续网络结构的固体“凝胶”，其形状与湿凝胶一致。证明这种设想的简单方法，是从湿凝胶中去除液体而不破坏固体形状。如按照通常的技术路线，很难做到这一点。如果只是简单地让湿凝胶干燥，凝胶将会收缩，常常使原来的形状破坏，破裂成小碎片。也就是说，这种收缩经常是伴随着凝胶的严重破裂。Kistler推测：凝胶的固体构成是多微孔的，液体蒸发时的液一气界面存在较大的表面张力，该表面张力使孔道坍塌。此后，Kistler发现了气凝胶制备的关键技术（Kistler，1932）。 Kistler研究的第一个凝胶是通过硅酸钠的酸性溶液浓缩制备的SiO2凝胶。然而，他试图通过把凝胶中的???转变成超临界流体的方式来制备气凝胶却没有成功。Kistler再尝试首先用水充分洗涤二氧化硅凝胶（从凝胶中去掉盐），然后用乙醇交换水，通过把乙醇变成超临界流体并使它跑掉，第一个真正的气凝胶形成了。Kistler的气凝胶与现在制备的二氧化硅气凝胶类似，是具有相当大的理论研究价值的透明、低密度、多孔材料。在之后的几年时间里，Kistler详尽地表征了他的二氧化硅气凝胶的特性，并制备了许多有研究价值的其它物质的气凝胶材料，包括：A1203 , W03 , Fe203 , Sn02、酒石酸镍、纤维素、纤维素硝酸盐、明胶、琼脂、蛋白、橡胶等气凝胶。 后来，Kistler离开了太平洋大学，到Monsanto公司供职。Monsanto公司很快就开始生产商品化的气凝胶产品，Monsanto公司的产品是粒状的Si02材料，虽然其生产工艺无人知晓，但人们推断应当是Kistler的方法。Monsanto公司的气凝胶当时是被用来作化妆品及牙膏中的添加剂或触变剂。在以后的近30年中，有关气凝胶的研究几乎没有什么进展。直到20世纪60年代，随着价格便宜的“烟雾状的（fumed）”Si02的研制开发，气凝胶的市场开始萎缩，Monsanto公司停止了气凝胶的生产。 从此，气凝胶在很大程度上被人淡忘了。直到20世纪70年代后期，法国政府向Claud Bernard大学的Teichner教授寻求一种能储存氧气及火箭燃料的多孔材料。之后所发生的事情，在从事气凝胶研究的人员中有一种传说。Teichner让他的一个研究生来制备气凝胶并研究其应用，然而，使用Kistler的方法，包括两个耗时、费力的溶剂萃取步骤，他们的第一个气凝胶花了数周时间才制备出来。然后，Teichner告诉这个学生，要完成他的学位论文，将需要大量的气凝胶样品；该学生意识到，如按照Kistler的方法制备，这要花许多年才能完成，他精神崩溃地离开了Teichner的实验室；经过一段短暂地休息、思考，他又回到了实验室，有一种强烈的动机，激发他去寻找一种更好的Si02气凝胶的合成工艺。经过不懈地努力探索，该学生成功地应用溶胶一凝胶化学法制备出Si02气凝胶，这使气凝胶科学研究前进了一大步。这种方法用正硅酸甲酷（TMOS）代替Kistler所使用的硅酸钠，在甲醇溶液中通过TMOS水解一步产生凝胶（称为“醇凝胶”），这消除了Kistler方法中的两个缺点，即醇水替换步骤及凝胶中存在无机盐，在超临界甲醇条件下干燥这些醇凝胶，就制备出高质量的Si02气凝胶。后来，Tei