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超臨界氣凝膠有哪些用處

發(fā)布時間：

2023/04/07

納米結構的氣凝膠還可作為新型氣體過濾，與其它材料不同的是該材料孔洞大小分布均勻，氣孔率高。由于該材料特別大的比表而積。氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方而亦有廣闊的應用前景。

    氣凝膠（aerogels）通常是指以納米量級超微顆粒相互聚集構成納米多孔網絡結構，并在網絡孔隙中充滿氣態(tài)分散介質的輕質納米固態(tài)材料。氣凝膠是一種固體，但是99%都是由氣體構成，外觀看起來像云一樣。氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量，有時也被稱為“固態(tài)煙”或“凍住的煙”。

    常見的氣凝膠為二氧化硅氣凝膠。SiO2氣凝膠是一種防熱隔熱性能非常優(yōu)秀的輕質納米多孔非晶固體材料，其孔隙率高達80-99.8％，孔洞的典型尺寸為1-100nm，比表面積為200-1000m2/g，而密度可低達3kg/m3，室溫導熱系數可低達0.012W/（m•k）。正是由于這些特點使氣凝膠材料在熱學、聲學、光學、微電子、粒子探測方面有很廣闊的應用潛力。

一、氣凝膠的性質

1.隔熱性

    SiO2氣凝膠材料具有極低的導熱系數，可達到0.013-0.016W/(m·K),低于靜態(tài)空氣（0.024W/(m·K)）的熱導系數,比相應的無機絕緣材料低2-3個數量級。即使在800℃的高溫下其導熱系數才為0.043W/(m·K)。高溫下不分解，無有害氣體放出，屬于綠色環(huán)保型材料。SiO2硅氣凝膠與各種耐熱纖維復合后，可制成各種形式的保溫材料。可廣泛用于工業(yè)、建筑、管道、汽車、航天等領域。

2.隔音性

    由于硅氣凝膠的低聲速特性，它還是一種理想的聲學延遲或高溫隔音材料。該材料的聲阻抗可變范圍較大(103-107kg/m2·s)，是一種較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料。

    密度在300kg/m3左右的硅氣凝膠作為耦合材料，能使聲強提高30dB，如果采用具有密度梯度的硅氣凝膠，可望得到更高的聲強增益。

3.非線性光學性質

    由于硅氣凝膠的納米網絡內形成量子點結構，化學氣相滲透法摻Si及溶液法摻C60的結果表明，摻雜劑是以納米晶粒的形式存在，并觀察到很強的可見光發(fā)射，為多孔硅的量子限制效應發(fā)光提供了有力證據。利用硅氣凝膠的結構以及C60的非線性光學效應，可進一步研制新型激光防護鏡。

4.過濾與催化性質

    納米結構的氣凝膠還可作為新型氣體過濾，與其它材料不同的是該材料孔洞大小分布均勻，氣孔率高。由于該材料特別大的比表而積。氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方而亦有廣闊的應用前景。

5.折射率可調性

    硅氣凝膠的折射率接近1，而且對紅外和可見光的湮滅系數之比達100以上，能有效地透過太陽光中的可見光部分，并阻隔其中的紅外光部分，成為一種理想的透明隔熱材料，在太陽能利用和建筑物節(jié)能方面已經得到應用。

二、氣凝膠的用途

（1）工業(yè)領域

    在石油、化工和冶金行業(yè)中，管道、爐窯及其它熱工設備普遍存在，用SiO2氣凝膠及其復合材料替代傳統(tǒng)的保溫材料對它們進行保溫，可以大大減少熱能損失，提高熱能利用率。還可以用作液態(tài)天然氣罐和儲油罐等以及汽車、飛機等發(fā)動機和排氣管的隔熱材料。

（2）民用領域

    用熱導率極低的摻雜SiO2氣凝膠可用作為冰箱的隔熱材料，還可以用于樓房建筑的保溫、隔音材料等。常用建筑保溫材料多為聚苯乙烯、聚氨酯等高分子發(fā)泡材料，材料尺寸較厚，給施工以及后期穩(wěn)定性帶來許多問題，而且高分子保溫材料易燃，容易引起火災。SiO2氣凝膠能耐高溫，一般在800℃下，結構、性能無明顯變化，是一種安全、節(jié)能、環(huán)保的超級絕熱材料。

（3）太陽能集熱器

    具有高度透光率及低熱導率的氣凝膠對入射光幾乎沒有反射損失，能有效的透過太陽光，氣凝膠又能有效阻止熱量流失。因此氣凝膠特別適合于用作太陽能集熱器及其它集熱裝置的保溫隔熱材料。將氣凝膠絕熱材料應用于熱水器的儲水箱、管道和集熱器，將比現(xiàn)有太陽能熱水器的集熱效率提高1倍以上，而熱損失下降到現(xiàn)有水平的30%以下。

（3）航空航天領域

    氣凝膠超級絕熱材料質量、隔熱效果優(yōu)異，在航空、航天應用領域具有很好的應用前景。硅酸鋁耐火纖維/SiO2氣凝膠復合絕熱瓦已用于航天飛機，氣凝膠正用來為人類首次登陸火星時所穿的太空服研制一種保溫隔熱襯里。

    氣凝膠還被用于收集彗星微粒。它就像一個極其柔軟的棒球手套，可以輕輕地消減彗星星塵的速度，使它在滑行一段相當于自身長度200倍的距離后慢慢停下來。在進入“氣凝膠手套”后，星塵會留下一段胡蘿卜狀的軌跡，由于氣凝膠幾乎是透明的，科學家可以按照軌跡輕松地找到這些微粒。

（4）軍工

    防彈是新型氣凝膠的另一個重要用途。如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠，那么，就算被炸藥直接炸中，金屬片也分毫無傷。

（5）過濾和催化中的應用

    在環(huán)境保護及化學工業(yè)方面，納米結構的氣凝膠還可作為新型氣體過濾，與其它材料不同的是該材料孔洞大小分布均勻，氣孔率高，是一種氣體過濾材料。氣凝膠還可以用作吸附材料，例如吸附CO2氣體，吸附苯等化學有毒氣體，吸附炸藥廢水等。由于該材料特別大的比表而積。氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方而亦有廣闊的應用前景。

（6）在其它方面的應用

    SiO2氣凝膠具有極高的比表面積和孔隙率,近年來被廣泛應用于Cerenkov探測器中,以探測高能帶電粒子。SiO2氣凝膠也曾一度被用于等離子體研究中作為慣性限制熔融試驗體目標組分。

    由輕原子量元素組成的低密度、微孔分布均勻的SiO2氣凝膠對氖具有良好的吸附性能,因而為慣性約束聚變實驗研制高增益靶提供了一個新途徑,這對于利用受控熱核聚變反應來獲得廉價、清潔的能源具有重要意義。

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