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气凝胶简介

  • 工夫: 2015-08-31 10:10:22
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二氧化硅气凝胶又被称作“蓝烟”、“固体烟”,是现在已知的密度最小、质量最沉的固体质料,也是迄今为止保温机能最好的质料。果其具有纳米多孔构造(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))、下孔隙率(80~99.8%)、下比表面积(500~1000m2/g)等特性,正在力学、声学、热学、光学等诸方面显现出奇特性子,气凝胶貌似“身强力壮”,实在异常结实耐用。它能够蒙受相当于本身质量几千倍的压力,正在温度到达1200摄氏度时才会融化。另外它的导热性和折射率也很低,绝缘才能比最好的玻璃纤维借要强39倍。正在航天、军事、石油、化工、矿产、通信、医用、建材、电子、冶金等浩瀚范畴有着普遍而伟大的运用代价,被称为“改动天下的奇异质料”。

气凝胶根基特性

1、热学特性

气凝胶的纳米多孔构造使它具有极佳的绝热机能,其热导率以至比氛围还要低,氛围正在常温真空状况下的热导率为0.026W/(m·k),而气凝胶正在常温常压下的热导率一样平常小于0.020W/(m·k),正在抽真空的状况下,热导率可低至0.004W/(m·k)

气凝胶之所以具有云云优越的绝热特性取它的下孔隙率有关。热量的传导重要经由过程三种路子去停止,气体传导,固体传导,辐射传导。正在这三种体式格局中,经由过程气体传导的热量是很小的,因而大部分气体皆具有异常低的热导率。常用的绝热材料都是多孔构造,其恰是应用了氛围占有了固体质料的一部分体积,从而低落了质料整体的热导率。气凝胶的孔隙率比一般绝热材料要大很多,其95%以上都是由氛围组成,决意了其将具有取氛围一样低的热导率。并且气凝胶中包罗大量孔径小于70nm的孔,70nm是氛围中主要成分氮气和氧气的自在程(气体份子两次碰撞之间的时间内经由的旅程的统计平均值),因而意味着氛围正在气凝胶中将没法实现对流,使得气态热导率进一步低落。气凝胶中含量极少的固体骨架也是由纳米颗粒构成,其打仗面积异常小,使得气凝胶一样具有极小的固态热导率。气凝胶的热辐射传导重要为发作正在3-5μm区域内的红外热辐射,其正在常温下可以或许有用的阻挠红外热辐射,但跟着温度的降低,红外热辐射透过性加强。为了进一步低落高温红外热辐射,一般背气凝胶中到场遮光剂,如碳黑、二氧化钛等,遮光剂的运用可以或许大大低落高温下的红外热辐射。

SiO2气凝胶作为一种纳米孔超级绝热材料,除具有极低的热导率以外借具有超轻质和高热稳定性的特性,它正在产业、民用、修建、航天及军事等范畴具有异常普遍的运用。

2、声学特性

吸声材料要求质料内部布满孔隙,而且孔隙是相互连通且取外面相通的。当声波入射到质料外面时,一部分正在质料外面被反射,另外一局部则透入到质料内部向前流传。声波正在流传历程中,其发生的振动引发小孔或间隙内的氛围活动,形成和孔壁的摩擦,紧靠孔壁和纤维外面的氛围受孔壁的影响不容易活动,因为摩擦和粘滞力的感化,使相称一部分声能转化为热能。

气凝胶内部布满了两头开放并取外面相通的纳米孔,其高达1000m2/g的比表面积道清楚明了个中包罗孔的数目之多,因而声音正在个中流传时,声能将被其大量存在的孔壁大大斲丧,那使得气凝胶具有比一般多孔质料下数十倍的吸声结果。别的气凝胶热稳定性非常好,耐侵蚀,且经由外面处置惩罚的气凝胶疏水,那使其正在极度高温及卑劣侵蚀情况下仍具有优越的吸声机能。现在运用的一般吸声材料如玻璃棉、矿物棉、岩棉等,吸声效力不下,且机能不稳定。气凝胶作为一种新型吸声材料,不只吸声结果更好,且超轻质,无污染,它的用处将异常普遍,特别正在航空航天方面因为其沉量的特性,将成为吸声材料的首选。另外,还可将气凝胶质料用做修建的吸声材料,有优秀的隔音结果。

因为气凝胶的密度能够经由过程改动制备前提对其停止掌握,因而使得声阻亦可调。那一特性使得气凝胶可作为声阻耦合质料,如作为压电陶瓷取氛围的声阻耦合质料。压电陶瓷具有极高的声阻,氛围则具有极低的声阻,阻抗正在二者之间某个值的质料可以或许婚配声学阻抗。用SiO2气凝胶耦合下声阻的压电陶瓷和低声阻的氛围,Krauss等报导那一耦合效果使声强进步43.5dB

水声反声质料是指声波由水中入射到质料层上能无损耗天悉数反射进来的质料。正在潜艇上组成声纳装备声学体系的质料中,水声反声质料是非常重要的,它能够使声纳双方背事情,消弭非探测方向来的假目的旌旗灯号的滋扰,同时断绝设备体本身噪声,进步声纳的疑噪比和增益。特性阻抗取火的特性阻抗严峻失配的质料可用作水声反声质料。常压下氛围的密度和声速皆远远小于火的密度和声速,氛围的特性阻抗将比火小很多,取火阻抗失配严峻,因而含有大量氛围的质料可作为常压水中的反声质料。气凝胶下孔隙率且超轻质的特性使其成为最好的水声反声质料,既具有优越的水声反声结果,又不增添潜艇的重量。

3、催化特性

超微粒子特定的外面构造有利于活性组分的疏散,从而能够对很多催化历程发生明显的影响。气凝胶是一种由纳米粒子构成的固体质料,具有小粒径、下比表面积和低密度等特性,这些特性使气凝胶催化剂的活性和选择性均远远高于通例催化剂,并且活性组分能够异常匀称天疏散于载体中,同时它借具有优秀的热稳定性,能够有用的削减副反应发作。因而气凝胶作为催化剂,其活性、选择性和寿命皆能够获得大幅度天进步,具有异常优越的催化特性。

1938年,Kearby 等发如今醇背胺的转化历程中,Cr2O3Al2O3复合氧化物气凝胶是一种机能优越的催化剂。1974年,Gardes 等制备了NiO/Al2O3 气凝胶催化剂并把它应用于乙苯脱乙基造苯,具有异常优越的结果。早期气凝胶催化剂重要用于一些有产业运用配景的有机回响反映,如乙酸转化为丙酮、丙酸转化为二乙基丙酮等回响反映,近年来曾经发明了气凝胶更多的催化特性。

4、吸附特性

因为气凝胶由纳米颗粒骨架组成,具有下通透性的三维纳米网络构造,具有很下的比表面积(6001200 m2/g 和孔隙率(高达90 %以上),且孔洞又取外界相通,因而它具有异常优越的吸附特性,正在气体过滤器、吸附介质方面有着很大的运用代价。

对照疏水SiO2气凝胶、活性炭纤维和活性炭颗粒对吸附介质为苯、甲苯、四氯化碳、乙醛的吸附机能测试效果,对照发明,SiO2气凝胶的吸附机能较活性炭纤维(ACF) 和活性炭颗粒(GAC) 更加优胜。并且经由过程改性制备出的疏水SiO2气凝胶,能够制止亲水型活性炭正在湿润情况下吸附机能大幅低落。同时若将SiO2气凝胶停止第一次吸附脱附后,再次停止吸附研讨,SiO2气凝胶可轻易天经过热气流脱附,再吸附容量根基稳定,那便为轮回应用发明了有益的前提。

5、光学特性

纯洁的SiO2气凝胶是通明无色的,它的折射率(1.0061.06)异常靠近于氛围的折射率,那意味着SiO2气凝胶对入射光几乎没有反射丧失,能有效地透过太阳光。因而,SiO2气凝胶可以或许被用来建造绝热降噪玻璃。应用差别密度的SiO2气凝胶膜对差别波长的光制备光耦合质料,能够获得初级的光增透膜。

当经由过程掌握制备前提得到差别密度的SiO2气凝胶时,它的折射率可正在1.008-1.4范围内转变,因而SiO2气凝胶可作为切仑科夫探测器中的介质质料,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),并且可经由过程改动其密度调治介电常数值。跟着微电子产业的迅速发展,对集成电路运算速度的要求愈来愈下。一般而言,所用衬底质料的介电常数越低,则运算速度越快。如今集成电路所用的衬底质料为Al2O3,其介电常数为10,现在的趋向是运用聚酰亚胺或别的高聚物介电质料替换Al2O3,但是,高聚物的热膨胀系数较下,轻易引发应力和变形。气凝胶具有一些更优越的特性,其介电常数值很低且能够调治,其热膨胀系数取硅质料邻近因而应力很小,并且相对聚酰亚胺它有优越的高温稳定性。因而如将集成电路所用的衬底质料改成气凝胶薄膜,其运算速度可进步3倍。

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