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气凝胶简介

 

         气凝胶是一种固体物质形态,具备该形态的物质特性在于具有纳米多孔结构。因成分不同,一般常见的有二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和碳气凝胶等。目前,二氧化硅气凝胶的绝热性能最为引人注目,技术也最为成熟,国内外气凝胶的产业化发展大多围绕二氧化硅气凝胶绝热应用展开,下文我们也重点针对二氧化硅气凝胶展开论述。

        二氧化硅气凝胶又被称作“蓝烟”、“固体烟”,是目前已知的密度最小、质量最轻的固体材料,也是迄今为止保温性能最好的材料。因其具有纳米多孔结构(1~100nm)、低密度(3~250kg/m3)、低介电常数(1.1~2.5)、低导热系数(0.013~0.025W/(m·k))、高孔隙率(80~99.8%)、高比表面积(500~1000m2/g)等特点,在力学、声学、热学、光学等诸方面显示出独特性质,气凝胶貌似“弱不禁风”,其实非常坚固耐用。它可以承受相当于自身质量几千倍的压力,在温度达到1200摄氏度时才会熔化。此外它的导热性和折射率也很低,绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。在航天、军事、石油、化工、矿产、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价值,被称为“改变世界的神奇材料”。

 

基本特

       1.热学特性

       气凝胶的纳米多孔结构使它具有极佳的绝热性能,其热导率甚至比空气还要低很多,空气在常温真空状态下的热导率为0.026W/(m·k)而气凝胶在常温常压下的热导率一般小于0.015W/(m·k)在抽真空的状态下热导率可低至0.004W/(m·k)。

 

       2.声学特性

       气凝胶内部充满了两端开放并与表面相通的纳米孔,其高达1000m2/g的比表面积说明了其中包含孔的数量之多,因此声音在其中传播时,声能将被其大量存在的孔壁大大消耗,这使得气凝胶具有比普通多孔材料高数十倍的吸声效果。

       另外由于气凝胶的密度可以通过改变制备条件对其进行控制,因此使得声阻亦可调。这一特性使得气凝胶可作为声阻耦合材料,如作为压电陶瓷与空气的声阻耦合材料。压电陶瓷具有极高的声阻,空气则具有极低的声阻,阻抗在二者之间某个值的材料能够匹配声学阻抗。用SiO2气凝胶耦合高声阻的压电陶瓷和低声阻的空气,Krauss等报道这一耦合结果使声强提高43.5dB。

 

3.催化特性

超微粒子特定的表面结构有利于活性组分的分散,从而可以对许多催化过程产生显著的影响。气凝胶是一种由纳米粒子组成的固体材料,具有小粒径、高比表面积和低密度等特点,这些特点使气凝胶催化剂的活性和选择性均远远高于常规催化剂,而且活性组分可以非常均匀地分散于载体中,同时它还具有优良的热稳定性,可以有效的减少副反应发生。因此气凝胶作为催化剂,其活性、选择性和寿命都可以得到大幅度地提高,具有非常良好的催化特性。                                            

4.吸附特性                                                                                                                      由于气凝胶由纳米颗粒骨架构成,具有高通透性的三维纳米网络结构,拥有很高的比表面积(6001200 m2/g 和孔隙率(高达90 %以上),且孔洞又与外界相通,因此它具有非常良好的吸附特性,在气体过滤器、吸附介质方面有着很大的应用价值。

5.光学特性                                                                                                                       纯净的SiO2气凝胶是透明无色的,它的折射率(1.0061.06)非常接近于空气的折射率,这意味着SiO2气凝胶对入射光几乎没有反射损失,能有效地透过太阳光。因此,SiO2气凝胶能够被用来制作绝热降噪玻璃。利用不同密度的SiO2气凝胶膜对不同波长的光制备光耦合材料,可以得到高级的光增透膜。                                          当通过控制制备条件获得不同密度的SiO2气凝胶时,它的折射率可在1.008-1.4范围内变化,因此SiO2气凝胶可作为切仑科夫探测器中的介质材料,用来探测高能粒子的质量和能量。

6.电学特性                                                                                                                                                                                                                     气凝胶具有低介电常数(1<e<2),而且可通过改变其密度调节介电常数值。随着微电子工业的迅速发展,对集成电路运算速度的要求越来越高。一般而言,所用衬底材料的介电常数越低,则运算速度越快。现在集成电路所用的衬底材料为Al2O3,其介电常数为10,目前的趋势是使用聚酰亚胺或其它高聚物介电材料替代Al2O3,然而,高聚物的热膨胀系数较高,容易引起应力以及变形。气凝胶具有一些更优越的特性,其介电常数值很低且可以调节,其热膨胀系数与硅材料相近因此应力很小,而且相对聚酰亚胺它有良好的高温稳定性。因此如将集成电路所用的衬底材料改成气凝胶薄膜,其运算速度可提高3倍。

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