氣凝膠被稱為材料領(lǐng)域的“世界之最”,，在保溫隔熱,、節(jié)能環(huán)保、吸附分離,、生物醫(yī)學(xué),、電子信息等眾多領(lǐng)域有著廣泛而巨大的應(yīng)用價值，那您知道氣凝膠是什么嗎,？氣凝膠有哪些分類以及氣凝膠材料特性及應(yīng)用,、生產(chǎn)工藝怎樣？氣凝膠的發(fā)展前景如何,？今天就跟隨小編的鍵盤一起認(rèn)識氣凝膠吧~
一,、什么是氣凝膠
氣凝膠，又稱為干凝膠,，是化學(xué)溶液經(jīng)反應(yīng),，先形成溶膠，再凝膠化獲得的凝膠,，除去凝膠中的溶劑,，獲得的一種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中充滿氣體，外表呈固體狀密度極低的(接近空氣密度)多孔材料,。
氣凝膠最初是由 S.Kistler 命名,、英文 aerogel(會飛的固體)，由于它是采用超臨界干燥方法,，成功制備了Si02氣凝膠,，故將氣凝膠定義為:濕凝膠經(jīng)超臨界干燥所得到的材料“稱之為氣凝膠”。隨著常壓干燥技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,，90 年代中后期,，普遍接受的氣凝膠的定義是:不論采用何種干燥方法,只要是將濕凝膠的液體被氣體所取代，同時凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本保留不變,，這樣所得的材料都稱為氣凝膠,。
氣凝膠是目前已知最輕的固體材料，也是迄今為止保溫性能最好的材料,在眾多領(lǐng)域有著廣泛而巨大的應(yīng)用價值,，被稱為“改變世界的神奇材料”,。
氣凝膠是一種內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)充滿氣體,，外表呈現(xiàn)固體狀密度極低的多孔材料，是目前最輕的固體材料,。它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般是由相互交聯(lián)的納米顆粒所組成,，其中顆粒內(nèi)部的孔隙主要是微孔，顆粒與顆粒之間則大多是 2 nm 上的中孔或大孔,。
二、氣凝膠分類
凝膠的分類有多種方法,。根據(jù)氣凝膠的外觀,，可分為塊體、粉末和膜;根據(jù)氣凝膠的制備方法,，可以分為四種類型,，包括氣凝膠、干凝膠,、凍凝膠以及氣凝膠相關(guān)材料;根據(jù)不同的微觀結(jié)構(gòu),，可分為微孔(<2nm)氣凝膠、中孔(2~50nm)氣凝膠和混合多孔氣凝膠,。最常用的氣凝膠分類方法是通過組分來區(qū)分,，氣凝膠材料根據(jù)組分的不同，主要可分為氧化物氣凝膠材料,、炭氣凝膠材料（耐高溫性可達(dá)3000℃）和碳化物氣凝膠材料,。
1.氧化物氣凝膠材料
氧化物氣凝膠材料在高溫區(qū)（＞1000℃）容易發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變及顆粒的燒結(jié)，其耐溫性相對較差,，但是其在中高溫區(qū)（＜1000℃）具備較低的熱導(dǎo)率,。
氧化物氣凝膠材料主要有SiO2、Al2O3,、TiO2,、ZrO2、CuO等,。
（1）SiO2氣凝膠材料
SiO2氣凝膠是目前隔熱領(lǐng)域研究最多也是較為成熟的一種耐高溫氣凝膠,，其孔隙率高達(dá)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(dá)3kg/m3，室溫?zé)釋?dǎo)率可低達(dá)0.012W/（m·K）,。
SiO2氣凝膠材料通常是將其與紅外遮光劑以及增強(qiáng)體進(jìn)行復(fù)合,，以提高SiO2氣凝膠的隔熱和力學(xué)性能，使其既具有實(shí)用價值的納米孔超級絕熱材料,，同時還兼有良好的隔熱和力學(xué)性能,，主要應(yīng)用于航空航天,、軍事、電子,、建筑,、家電和工業(yè)管道等領(lǐng)域的保溫隔熱。
常用的紅外遮光劑有碳化硅,、TiO2（金紅石型和銳鈦型）,、炭黑、六鈦酸鉀等,；常用的增強(qiáng)材料有陶瓷纖維,、無堿超細(xì)玻璃纖維、多晶莫來石纖維,、硅酸鋁纖維,、氧化鋯纖維等。
（2）ZrO2氣凝膠材料
ZrO2氣凝膠材料的孔徑小于空氣分子的平均自由程,，在氣凝膠中沒有空氣對流,，孔隙率極高，固體所占的體積比很低,，使氣凝膠的熱導(dǎo)率很低,。與SiO2氣凝膠材料相比，ZrO2氣凝膠的高溫?zé)釋?dǎo)率更低,，更適宜于高溫段的隔熱應(yīng)用,，在作為高溫隔熱保溫材料方面具有極大的應(yīng)用潛力。目前關(guān)于ZrO2氣凝膠應(yīng)用于隔熱領(lǐng)域的報(bào)道還比較少,，研究者主要致力于ZrO2氣凝膠制備工藝的研究,。
ZrO2氣凝膠主要制備方法是由鋯鹽前驅(qū)體通過一系列的水解縮聚過程得到的。其制備主要包括兩部分：濕凝膠的制備及干燥,。一般采用超臨界干燥和冷凍干燥,，常用的濕凝膠制備方法有鋯醇鹽水解法、沉淀法,、醇-水溶液加熱法,、滴加環(huán)氧丙烷法和無機(jī)分散溶膠-凝膠法。以價格低廉的無機(jī)鋯鹽為前驅(qū)體制備ZrO2氣凝膠和如何提高氧化鋯氣凝膠的高溫?zé)岱€(wěn)定性是研究者的研究熱點(diǎn)之一,。
（3）Al2O3氣凝膠材料
氧化鋁氣凝膠材料具有納米多孔結(jié)構(gòu),、使其具有更輕質(zhì)量、更小體積達(dá)到等效的隔熱效果,，同時具有高孔隙率,、高比表面積和開放的織態(tài)結(jié)構(gòu)，在催化劑和催化載體方面具有潛在的應(yīng)用價值。氧化鋁氣凝膠還可用作高壓絕緣材料,，高速或超速集成電路的襯底材料,，真空電極的隔離介質(zhì)以及超級電容器。
2.炭氣凝膠材料
炭氣凝膠最大的特點(diǎn)就是其在惰性及真空氛圍下高達(dá)2000℃的耐溫性,，石墨化后耐溫性能甚至能達(dá)到3000℃,，而且炭氣凝膠中的炭納米顆粒本身就具備對紅外輻射極好的吸收性能，從而產(chǎn)生類似于紅外遮光劑的效果,，因此其高溫?zé)釋?dǎo)率較低,。但是在有氧條件下，炭氣凝膠在350℃以上便發(fā)生氧化,，這使得其在高溫隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用受到了極大地限制,。隨著SiC、MoSi2,、HfSi2、TaSi2等高抗氧化性涂層的發(fā)展,，在炭氣凝膠材料表面涂覆致密的抗氧化性涂層,，阻止氧氣的進(jìn)一步擴(kuò)散，將使該材料具備極大的應(yīng)用前景,。
3.碳化物氣凝膠材料
碳化物材料具備極好的抗氧化性能,，但是其本身的熱導(dǎo)率較高，將其制成含有三維立體網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的氣凝膠,，可以極大地降低材料的熱導(dǎo)率,，進(jìn)一步提高材料的隔熱性能。但是國內(nèi)外對于碳化物氣凝膠的研究還相對較少,，特別是對于成形性良好的塊狀碳化物氣凝膠的研究尚處于初始階段,，對于其作為高效隔熱材料的研究也較為匱乏，僅限于對該材料的制備與表征,。
4.多組分氣凝膠材料
多組分氣凝膠材料主要有SiO2/Al2O3,、TiO2/SiO2、C/SiC,、C/SiO2,、Si-C-O、Al-C-O等,。
當(dāng)前,，二氧化硅氣凝膠的絕熱性能最為引人注目，技術(shù)也最為成熟,，國內(nèi)外氣凝膠的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展大多圍繞二氧化硅氣凝膠絕熱應(yīng)用展開,。
三、氣凝膠材料特性及應(yīng)用
氣凝膠在力學(xué),、聲學(xué),、熱學(xué),、光學(xué)等諸方面顯示出獨(dú)特性質(zhì)，其中最為突出的是保溫隔熱性能,，由于其具有的獨(dú)特性能,，氣凝膠材料在航空航天、石油化工,、電力冶金,、船舶車輛、精密儀器,、冰箱冷庫,、服裝帳篷、建筑節(jié)能等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景,，是傳統(tǒng)隔熱材料革命性替代產(chǎn)品,。伴隨著中國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級，節(jié)能降耗政策的持續(xù)大力推進(jìn),，以及中國實(shí)施多年的納米材料戰(zhàn)略,，氣凝膠材料近年來受到了政府、學(xué)術(shù)界,、企業(yè)界和投資界的廣泛關(guān)注,。
1、隔熱性
SiO2氣凝膠材料具有極低的導(dǎo)熱系數(shù),，可達(dá)到0.013-0.016W/(m·K),低于靜態(tài)空氣(0.024W/(m·K))的熱導(dǎo)系數(shù),比相應(yīng)的無機(jī)絕緣材料低2-3個數(shù)量級,。即使在800℃的高溫下其導(dǎo)熱系數(shù)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氣凝膠與各種耐熱纖維復(fù)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(lǐng)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(xué)延遲或高溫隔音材料,。該材料的聲阻抗可變范圍較大(103-107 kg/m2·s)，是一種較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，密度在300 kg/m3左右的硅氣凝膠作為耦合材料,，能使聲強(qiáng)提高30 dB，如果采用具有密度梯度的硅氣凝膠,，可望得到更高的聲強(qiáng)增益,。
3、非線性光學(xué)性質(zhì)
由于硅氣凝膠的納米網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成量子點(diǎn)結(jié)構(gòu),，化學(xué)氣相滲透法摻Si及溶液法摻C60的結(jié)果表明,，摻雜劑是以納米晶粒的形式存在，并觀察到很強(qiáng)的可見光發(fā)射,，為多孔硅的量子限制效應(yīng)發(fā)光提供了有力證據(jù),。利用硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)以及C60的非線性光學(xué)效應(yīng)，可進(jìn)一步研制新型激光防護(hù)鏡,。
4,、過濾與催化性質(zhì)
納米結(jié)構(gòu)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,，是一種高效氣體過濾材料。由于該材料特別大的比表面積,，氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方面亦有廣闊的應(yīng)用前景。
5,、折射率可調(diào)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(shù)之比達(dá)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(jīng)得到應(yīng)用,。
6,、電性
金屬氧化物及有機(jī)氣凝膠為高等電介質(zhì)材料之一，其應(yīng)用方式以氣凝膠型態(tài)加以區(qū)分,，以塊狀氣凝膠材質(zhì)而言,，主要可應(yīng)用于微波及高電壓絕緣體，而薄膜氣凝膠材質(zhì)為IC（集成電路）理想電介質(zhì)材料,，并同時具備機(jī)械強(qiáng)度佳,、高熱穩(wěn)定性及低介電常數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。另外,，應(yīng)用方式以氣凝膠成分加以區(qū)分,，以碳黑氣凝膠而言，主要功能為具有導(dǎo)電特性，可做為電池與電容器之電極,，而金屬氧化物氣凝膠,，則具備超導(dǎo)電、熱電及壓電特性,。
四,、氣凝膠材料生產(chǎn)工藝
氣凝膠制備工藝
目前，二氧化硅氣凝膠的制備通常包含溶膠-凝膠和干燥兩個主要過程,，通過溶膠-凝膠工藝獲得所需納米孔洞和相應(yīng)凝膠骨架,。
根據(jù)工藝不同，氣凝膠干燥主要分為超臨界干燥工藝和常壓干燥工藝兩種,，其他尚未實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)技術(shù)的還有真空冷凍干燥,、亞臨界干燥等。
常壓干燥是指在常壓環(huán)境下對濕凝膠進(jìn)行溶劑干燥,。在干燥過程中不可避免地會在氣凝膠孔隙邊界出現(xiàn)氣-液界面,，使氣凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆收縮，因此常壓干燥過程通常需要進(jìn)行凝膠的表面改性和一系列溶劑置換來降低固體骨架所受到的毛細(xì)壓力,，避免或減少收縮的發(fā)生,。超臨界干燥是指將老化所得的濕凝膠置于高壓釜中，用干燥介質(zhì)替換盡其中的溶劑,，將高壓釜加熱至其中的壓力和溫度達(dá)到包埋在凝膠孔隙中的液體(即干燥介質(zhì))的臨界溫度和臨界壓力,，氣液界面消失，毛細(xì)壓力不復(fù)存在,，從而避免氣凝膠骨架網(wǎng)絡(luò)在干燥過程中的不可逆收縮,。總而言之,，現(xiàn)有的二氧化硅氣凝膠的制備工藝可以通過干燥手段的不同分為兩種,，超臨界制備和常壓干燥制備。
現(xiàn)有工藝的成本主要集中在硅源或前驅(qū)體(主要分為有機(jī)硅源和無機(jī)硅源兩種),、修飾劑,、及工藝所需設(shè)備損耗三個方面。超臨界干燥制備的缺點(diǎn)主要是高耗時,、高成本,、并具有一定的操作難度和危險(xiǎn)性：氣凝膠滲透率低，導(dǎo)致二氧化碳置換和釜內(nèi)泄壓步驟速度降低,，使干燥時間需達(dá)到50～70小時,，大大影響工業(yè)化生產(chǎn)的進(jìn)程；超臨界干燥法所用基本為有機(jī)硅源,，其價格昂貴且具有一定的毒性,；超臨界干燥技術(shù)的核心設(shè)備為高壓釜,，設(shè)備系統(tǒng)比較復(fù)雜，就二氧化碳超臨界干燥技術(shù)而言所需工作壓力高達(dá)7～20MPa,，對設(shè)備,、成本、操作技術(shù)以及安全都會造成負(fù)面影響,，尤其容易出現(xiàn)設(shè)備爆炸,，而且運(yùn)行所需能耗維護(hù)費(fèi)用也較高。常壓干燥制備的缺點(diǎn)主要是成品參數(shù)較低,、工藝整體耗時較高：在氣凝膠老化完成后凝膠孔洞表面仍有未參與反應(yīng)的硅羥基,，在常壓干燥制備過程中需要采用一定的試劑來反應(yīng)掉剩余的硅羥基，以避免相互結(jié)合使得氣凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的收縮,；同時還要采用低表面張力的液體置換掉原高表面張力的液體,，減小干燥過程中的收縮應(yīng)力。這些步驟所需時間往往較長,，并且由于常壓干燥無法解決溶劑(液相)的移出(即干燥過程)對凝膠骨架(固相)的影響,，制備過程中不可避免會出現(xiàn)凝膠網(wǎng)絡(luò)的不可逆收縮現(xiàn)象，因此其成品參數(shù)往往較一般,。
總的來說,，超臨界干燥因?yàn)槠湓O(shè)備要求較高(常用的CO2超臨界要求80atm)、維護(hù)費(fèi)用高且總干燥時間較長(氣凝膠低滲透率影響)故在工業(yè)發(fā)展方面受到很大限制,。常壓干燥較超臨界干燥而言設(shè)備成本較低,，且其硅源來源更廣(超臨界干燥往往為有機(jī)硅源,，常壓干燥可以為水玻璃等無機(jī)硅源也可以為有機(jī)硅源),。對于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)來說,，低成本的常壓干燥技術(shù)對氣凝膠的商業(yè)化、平民化應(yīng)用更加有推進(jìn)作用,。兩種干燥技術(shù)各有利弊,，超臨界干燥技術(shù)相對成熟,，而常壓干燥技術(shù)更具拓展空間,，常壓干燥技術(shù)應(yīng)該代表未來發(fā)展方向。
氣凝膠復(fù)合材料制備工藝
由于氣凝膠很脆,，基本上無法單獨(dú)應(yīng)用,，市場上銷售的氣凝膠多為氣凝膠與增強(qiáng)纖維的復(fù)合產(chǎn)品。復(fù)合的方式大體上分為兩種,，一種叫原位復(fù)合或一次復(fù)合,，另一種叫兩次復(fù)合。
一次復(fù)合就在氣凝膠制備過程的溶膠-凝膠階段,，硅溶膠直接浸潤增強(qiáng)纖維,，共同經(jīng)歷凝膠老化,、改性、干燥,，直到產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)束,。這種方法獲得的氣凝膠復(fù)合材料，相對而言,，氣凝膠是連續(xù)相,，纖維是分散相，所得氣凝膠產(chǎn)品往往可以獲得較低的導(dǎo)熱系數(shù),，并且產(chǎn)品質(zhì)量的一致性較好,，也是目前國內(nèi)外氣凝膠企業(yè)的主流復(fù)合方式。
二次復(fù)合,，就是先制備出氣凝膠粉末,，然后在設(shè)法把氣凝膠粉末與纖維復(fù)合在一起。這種方法獲得產(chǎn)品氣凝膠和纖維都不是連續(xù)相,，氣凝膠均勻分散難度較大,，目前采用此法的氣凝膠企業(yè)較少。
五,、氣凝膠的發(fā)展前景
氣凝膠材料目前占據(jù)了整個絕熱材料市場金字塔模型的塔尖部分,但在整個絕熱材料市場中的規(guī)模幾乎微不足道,這一方面說明氣凝膠產(chǎn)業(yè)仍然處于早期起步階段,同時又預(yù)示著其未來巨大的發(fā)展空間,。目前制約氣凝膠市場拓展的最大障礙是高昂的價格,一旦氣凝膠材料的生產(chǎn)成本得以顯著下降,市場規(guī)模就會急劇擴(kuò)大,產(chǎn)品銷量也會迅速擴(kuò)大,并將革命性地替代傳統(tǒng)絕熱材料。
氣凝膠材料優(yōu)越的保溫隔熱等性能,，使得其具有較為廣泛的應(yīng)用價值,，將會成為現(xiàn)有保溫隔熱材料領(lǐng)域重要的潛在替代品，屬于國家大力提倡發(fā)展的新材料之一,。目前我國在氣凝膠領(lǐng)域與美國等技術(shù)巨頭同屬于第一梯隊(duì),，為我國氣凝膠產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了良好的競爭環(huán)境，國內(nèi)市場發(fā)展空間較大,。
以上便是關(guān)于氣凝膠的相關(guān)知識,，大家通過文章是否對氣凝膠有了更加深入的了解呢？大家對氣凝膠有什么相關(guān)的看法和建議嗎,？歡迎大家一起到評論區(qū)互動,，我在評論區(qū)等你
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