气凝胶的简述

１．１．１气凝胶的定义及结构特点

气凝胶（Ａｅｒｏｇｅｌ）是由胶体粒子或高聚物分子相互聚集形成纳米多孔网状结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料。其孔隙率可高达９９％，孔径尺寸在１＂一＂１００ｒｉｍ之间，密度在３～６００ｋｇ・ｍ．３范围内变化，气凝胶是迄今为止所能制备出的Z轻的一种凝聚态固体物质。气凝胶典型的孔隙尺寸在纳米级【１１，如图１．１所示，由于其半透明的色彩和超轻的重量，有“固态烟”的美称。气凝胶看似脆弱不堪，事实上非常耐用，可承受１３００℃的高温；而且其特殊的结构能大大降低固态传导、气态传导以及红外热辐射，成为导热系数Z 小的材料。再者气凝胶耐高温性能优良，在１３００℃

下仍结构完好，是一种非常理想的超级绝热材料。气凝胶的折射率小，隔音能力强，出色的性能使其备受关注。

１．１．２气凝胶的发展及研究背景

１９３１年，美国斯坦福大学（ＳｔａｎｆｏｒｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＵＳＡ）的Ｋｉｓｔｌｅ教授首先制备出硅气凝胶，并报道在（（Ｎａｔｕｒｅ））杂志上１２］。他首先将硅酸钠水溶液进行水解缩聚，然后用乙醇浸泡来替换孔隙中的水和氯化钠，Z 后经超临界干燥工艺制各出第 一块气凝胶。但是制备周期长，工艺繁杂，条件苛刻，没受到重视。１９６６年，在法国政府的需求和支持下，Ｊ．Ｂ．Ｐｅｒｉ．［３１在寻找用于存储氧和火箭燃料的多孔材料时，摸索出一种新的合成工艺，即通过溶胶．凝胶法来制备二氧化硅气凝胶。这种合成方法促进了气凝胶的发展。

他用正硅酸甲酯（ＴＭＯＳ）作为硅源，来取代Ｋｉｓｔｌｅｒ使用的硅酸钠，通过正硅酸甲酯的水解和缩聚来制备醇凝胶。

１９７４年，物理学家Ｃａｎｔｉｎ、Ｍｉｃｈａｅｌ等１４】S次报道了将１０００升和１７００升的硅气凝胶应用于两个切仑科夫探测器。之后，关于气凝胶的科学和技术有了很大进展。１９８３年，美国伯克幂ｌＪ（Ｂｅｒｋｅｌｅｙ）实验室的ＡｒｌｏｎＨｕｎｔ发现，正硅酸乙酯（ＴＥＯＳ）也可用来制备硅气凝胶，与ＴＭＯＳ相比，它毒性更小，价格更低，更安全。１９８５年，Ｔｅｗａｄ［５】使用液态Ｃ０２作为超临界干燥介质，成功地制备出气凝胶，使反应温度降到常温，操作安全性大大提高，推动了超临界干燥工艺向实用阶段的转化。随后，美国的劳伦兹利弗莫尔国家实验室（ＬＬＮＬ）带０备出世界上质量Z轻密度Z 小的硅气凝胶，其密度为３ｋｇ／ｍ３，仅为空气密度的３倍１６Ｊ，这也创造了Z轻固体物质的世界吉尼斯纪录。１９８７年，有机气凝胶及碳气凝胶的问世，更拓宽了气凝胶的应用空间。

其结构的特异性和诱人的应用前景，引起了众多学者的研究兴趣。１９８５年，第 一届“气凝胶国际研讨会”（ＩＳＡ）在德国的维尔兹堡召开，这是由德国维尔兹堡大学的物理学家ＪｏｃｈｅｎＦｒｉｃｋｅ教授组织的。之后从１９８８年到２００３年每隔三年举行一届ＩＳＡ会议，分别在法国的蒙彼利埃、德国的维尔兹堡、美国的伯利克、法国的蒙彼利埃（举办两次）、美国的阿尔伯克基和美国的华盛顿等举行，迄今为止已经召开了七届气凝胶国际会议。

现在已合成了多种的气凝胶嗍。一元氧化物有Ｓｉ０２、Ｎｂ２０５、Ａ１２０３、Ｓｎ０２、目前，在国外方面，美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室（ＬＡＮＥ），瑞典的ＬＵＮＤ公司，法国的蒙彼利埃材料研究中心，德国ＢＡＳＦ、ＢＥＳＹ公司及德、美、法、日的大学对气凝胶的研究较多。在国内方面，于上世纪九十年代，同济大学波耳固体物理研究所Z先开始研究气凝胶ＩｌＵＪ，并申请了一些专利。再者中科院物理与化学研究所、山西煤化所、哈尔滨工业大学、南京大学、中国科学技术大学、大连理工大学等单位和高校也发表了许多有关气凝胶的报道。但他们大多处于实验室研究阶段，未能转化为生产。

１．１．３气凝胶的性能及其应用

气凝胶的粒子和孔洞尺寸处于纳米级，比表面积大，作为基本单元的胶质粒子构成了其特殊的网络结构。这种微观结构使气凝胶具有不同寻常的光学、声、热学和机械性能，如表１．１所示，气凝胶在很多领域有着广泛的应用。与孔道尺寸在微米和毫米量级的多孔材料相比，孔道尺寸在纳米级的气凝胶具有极低的热导率，室温热导率可低至０．０２Ｗ・ｍ～・Ｋ－１，真空中更低，比表面积高达１０００Ｉｎ２・ｆ１，高孔隙率（＞９９％），低密度０．００３９・ｃｍ一，低传声速率（－１００ｍ・ｓｄ），另外还具有低的折射率、低的弹性模量、低的声阻抗，基于这些独特的性能，气凝胶在科学和技术方面有广泛的应用价值，如图１．２所示。现将其独特性质、特点及应用列举如下：１．１．３．１气凝胶的热学特性及其应用

ｌ、气凝胶热学方面的特性

硅气凝胶的使用温度范围较广，为．１９０℃～１２００℃。热传导包括固态传热、气态传热和红外热辐射三部分。气凝胶的平均孑Ｌ径为５０ｎｍ，而空气中主要成分氮气和氧气的平均分子自由程为７０ｈｍ，所以气体分子无法正常振动传播热量，所以在常压下气态荑物剩剂；性菌草药活杀除农热导宰非常小，相当于真空状态。通常情况下，ｐ为Ｏ０７０～０３９ｃｍ。的硅气凝胶的固态热传导率也非常小。常温时，由于红外热辐射受凝胶界面的大量反射折射能量损失很大，热辐射传递热量较少。但当温度的升高时，气凝胶呈现高温红外透明性，材料的总热导率会变大。这需要在硅气凝胶中加入遮光剂（如碳黑、Ｔｉ０２，或二者混合物等），来降低红外辐射的热传导，添加遮光剂的硅气凝胶在高温常压下能保持相对较低的热导章旧。

２、气凝胶在保温隔热领域中的应用

硅气凝胶由于其热导率很小并且热稳定性较佳，在多种特殊的窗口隔热体系中有较大应用价值。气凝胶的典型孔径尺寸小于空气分子的平均自由程，所以在气凝胶孔内不存在空气对流：空隙率极大，固体所占有体积很小，传热极慢。可见光、红外线在硅气凝胶的内部网络界面不断地反射散射．能量损失很多，可有效阻止外界的热辐射。气凝胶的半透明性及授低的热导性使它成为制作绝热萄户的首 选材料硅气凝胶还可做节能墙材使用，能提高节能效率。其也可用作太阳能集热器中的透明隔热材料和太阳能房子的节能材料以及冰箱等低温系统的隔热材料，从而避免了氟利昂的使用，减少氟利昂对大气臭氧层的破坏和环境的污染。

由于气凝胶比传统绝热材料具有更轻的质量、更小的体积、可耐更高的温度，

其成为航天航空器上理想的隔热材料。例如，己将气凝胶用做飞机黑匣子的隔热材料，英国“美洲豹”战斗机的机舱隔热层也用气凝胶做绝热材料。在美国的“火星流浪者”探测器上，就使用气凝胶作为保温材料，来保证火星表面机器人电子仪器设各的正常工作”“。可用于高能粒子加速器上，以及宇航服和民用的防寒服。在一些特殊应用中，气凝胶粉末更受欢迎。

在任何固态或多孔材料中，气凝胶的热导率Z 低。该材料的这一主要特性使其有许多应用，包括建筑、管道系统、冷热存储设备、汽车排气管、运输工具及容器的绝热材料等等。

１．Ｌ３．２气凝腋的光学特性及其应用

１、气凝胶的光学特性

硅气凝胶孔径一般在１～１００ｒｕｎ之间，对蓝光和紫光的瑞利散射比较，气凝胶一般呈现淡蓝色，改变原料配比和制备条件能得到高透明度的气凝胶。当光波波长为６３０ｎｍ时，硅气凝胶的特性湮灭系数ｅ可见危＝０．１ｍ２・ｋ百１，此时光子的平均自由程约为０．１ｍ。当波长小于７微米或大于３０微米时，硅气凝胶的湮灭系数ｅ＿＜１０ｍ２・ｋｇ～，当波长在二者之间时，其湮灭系数大于１００ｍ２・ｋｇ＂１，可以看出，气凝胶对红外和可见光的湮灭系数之比大于１００。

２、气凝胶在光学中的应用

经过烧结（低于硅熔点温度）的气凝胶，已经被用于制各超纯度硅玻璃。掺有锎系元素的气凝胶可用作激光玻璃，掺有染料的气凝胶被证明有持久的活性。掺有放射性氚和磷的硅气凝胶可以制成一个高效的辐射发光光源。还有事实证明，掺杂纳米粒子的硅气凝胶，由于量子效应会产生蓝光散射。

气凝胶的孔隙率很大并且折光率非常小，当浸渍某些聚合物后，能将气凝胶制备成非线性光学活性玻璃。通过致密化硅气凝胶而合成的超纯玻璃，当温度在０－５００Ｃ时不会热膨胀，所以适合制备特殊环境使用的透镜硅气凝胶还能用于荧光太阳能收集器上。厚度为０．２ｍｍ的气凝胶薄膜可作为太阳能电池的盖玻片，气凝胶的低反射系数能有效降低菲涅耳反射损失，提高太阳光反射

率，从而提高太阳能电池的能量。

气凝胶的折射率很小，用于光导纤维中可有效提高光的收集和传输效率。气凝胶的纳米尺寸结构使其具有极好的光电性能，而且许多不同类型的原子或分子可以掺杂到气凝胶中。