何為氣凝膠？

　　氣凝膠是世界上已知密度最低的人造發泡物質。氣凝膠借由臨界干燥法將凝膠里的液體成分抽出。這種方法會令液體緩慢地被脫出，但不至于使凝膠里的固體結構因為伴隨的毛細作用被擠壓破碎。最早由美國科學工作者Kistler在1931年制得。氣凝膠的種類很多，有硅系，碳系，硫系，金屬氧化物系，金屬系等。氣凝膠擁有諸多優異特性，其中熱學方面特性最受人們重視，也是最具產業化價值的，被譽為超級隔熱材料，其隔熱保溫上的應用形式，主要為氣凝膠氈、氣凝膠板等。

　　氣凝膠也是一種固體物質形態，世界上密度最小的固體之一。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠，但也有碳氣凝膠存在。

　　因為密度極低，目前最輕的硅氣凝膠僅有3mg/cm3 ，比空氣重三倍，所以也被叫做“凍結的煙”或“藍煙”。由于里面的顆粒非常小（納米量級），所以可見光經過它時散射較小（瑞利散射），就像陽光經過空氣一樣。因此，它也和天空一樣看著發藍，如果對著光看有點發紅。由于氣凝膠中99.8%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。

　　氣凝膠在航天探測上也有多種用途，在俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”的探測器上都有用到這種材料。氣凝膠也在粒子物理實驗中，使用來作為切連科夫效應的探測器。

氣凝膠

　　氣凝膠的特性？

　　氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量，有時也被稱為“固態煙”或“凍住的煙”。這種新材料看似脆弱不堪，其實非常堅固耐用，最高能承受1400攝氏度的高溫。它可以承受相當于自身質量幾千倍的壓力，此外它的導熱性和折射率也很低，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。

　　氣凝膠用在哪里？

　　（一）氣凝膠在石油化工方面的應用

　　據報道操作人員在開采海底油田和氣田時的一項關鍵需求，是輸送未加工炭氫化合物的能力，它們經常處于高溫高壓狀態下，而且沿海底的輸送距離也越來越長。若沒有充分的絕熱，這些炭氫化合物將發生冷卻并生成水合物或蠟化，最終堵塞流送管，對操作人員產生巨大的成本，氣凝膠卓越的保溫性能可以很好的解決這一問題。

　　（二）氣凝膠在船舶上面的應用

　　隨著遠洋運輸、海上油田的發展，與之配套的海上鉆井平臺、石油運輸船、液化天然氣（LNG）船，液化石油氣（LPG）船等發展迅速。這些特種船舶對于隔熱保溫和防火分隔提出了更高的要求，也成為氣凝膠材料應用新的平臺。

　　（三）氣凝膠在建筑方面的應用

　　氣凝膠卓越的保溫性能讓他可以在建筑保溫方面具有十分強大的潛力，相對于目前使用的聚苯泡沫氣凝膠不僅保溫隔熱效果更好，而且不可燃燒，可以有效的防止火災的發生。氣凝膠的耐老化性能也十分良好，可以保證外保溫體30年不老化。目前氣凝膠的成本相對較高，等將來工藝更加的優化，成本下降，必將在建筑保溫方面大量應用。同時由于氣凝膠的透光性，使其可以用來制作透光屋頂。

　　（四）氣凝膠在航空航天方面的應用

　　目前，氣凝膠已經在航空航天需要隔熱保溫的地方中大量使用。其中有一項就是在航空航天用熱電池上的應用，使用氣凝膠材料作為隔熱保溫層完美的解決了航空航天對熱電池高性能的要求，下圖為某種熱電池的隔熱氣凝膠材料。

　　（五）氣凝膠在其他方面的應用

　　氣凝膠卓越的隔熱保溫性能使得他在電化學、服裝、新能源、催化劑等方面也有十分強大的應用潛力。由于氣凝膠的孔隙都是納米級的，比表面積很大這使得他吸附能力較大，可以在用來做催化劑的載體；由于其吸附性，同時密度極低，所以也可以用來儲氫；他良好的保溫性可以用來制作服裝，只需要很薄的一層就可以達到很好的保溫效果；防彈不怕被炸，防彈是新型氣凝膠的第二個重要用途。美國宇航局的這家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，那么，就算炸藥直接炸中，對金屬片也分毫無傷；可處理生態災難，環保是新型氣凝膠的第三個重要作用。科學家們將氣凝膠親切地稱為“超級海綿”，因為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。美國科學家新發明的氣凝膠現在居然能吸出水中的鉛和水銀。據這位科學家稱，這種氣凝膠是處理生態災難的絕好材料；網球拍擊球能力更強，新型氣凝膠也將步入我們每個人的未來日常生活。比如說美國的Dunlop體育器材公司已經成功研發了氣凝膠制成的網球拍。這種網球拍據說擊球的能力更強；今年年初，66歲的鮑博·斯托克成為第一個用氣凝膠建房子的英國人：“保溫加熱的效果非常好，我將空調的溫度下降了5℃，結果室內的溫度仍然非常舒適。”登山者也對氣凝膠的運用充滿了希望。英國登山家安尼·帕爾門特去年登珠峰時所穿的鞋子就是用氣凝膠制成的，他的睡袋里也有一層這種新材料。

　　氣凝膠的應用前景？

　　●制作簡便，其形狀、尺寸可任意調節。在世界已誕生的成果中，高超課題組制備的“碳海綿”仍是最輕紀錄保持者。可達到0.16毫克/立方厘米，低于氦氣的密度。

　　●大規模制造成可能。科學家聲稱，氣凝膠的基本制備原理是除去凝膠中的溶劑，讓其保留完整的骨架。在以往制備氣凝膠的案例中，科學家主要采用溶膠—凝膠法和模板導向法。前者可以批量合成，但是可控性差；后者能產生有序的結構，但依賴于模板的精細結構和尺寸，難以大量制備。浙江大學高分子系高超教授的課題組另辟蹊徑，探索出無模板冷凍干燥法：將溶解了石墨烯和碳納米管的水溶液在低溫下凍干，便獲得了“碳海綿”，并且可以任意調節形狀，令生產過程更加便捷，也使這種超輕材料的大規模制造和應用成為可能。

　　●性能優越，高彈性、強吸附，應用前景廣闊。據專家介紹，“碳海綿”具備高彈性，被壓縮80%后仍可恢復原狀。它對有機溶劑具有超快、超高的吸附力，是迄今已報道的吸油力最高的材料。現有的吸油產品一般只能吸自身質量10倍左右的液體，而“碳海綿”的吸收量是250倍左右，最高可達900倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有機物的速度極快：每克這樣的“碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機物。 20世紀，實驗室正在對這一材料的吸附性能進行進一步的應用性研究。科研人員聲稱，“碳海綿”還可能成為理想的相變儲能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效復合材料。不過很難準確預計其應用領域與前景，還得依靠社會以及產業界的想象力，讓這個新材料走出實驗室，實現應用價值。




 

責任編輯：王元

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