文档介绍：气凝胶
提纲
一、气凝胶概念与起源
二、气凝胶性能与应用
三、气凝胶相关产品介绍
第一部分
气凝胶概念与起源
什么是气凝胶?
凝胶(gel):溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子在一定条件下互相连接,形成空间网状结构,结构空隙中充满了作为分散介质的液体,这样一种特殊的分散体系称作凝胶。凝胶没有流动性,内部常含有大量液体。例如血凝胶、琼脂的含水量都可达99%以上。由溶液或溶胶形成凝胶的过程称为胶凝作用(gelation)。
气凝胶(aerogel):当凝胶脱去大部分溶剂,使凝胶中液体含量比固体含量少得多,或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体,外表呈固体状,即分散介质为气体的凝胶材料称为气凝胶,是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成的一种具有网络结构的纳米多孔性固体材料,其固体相和孔隙结构均为纳米量级。
什么是气凝胶?
世界最轻的固体,正式入选吉尼斯世界纪录。
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这种气凝胶呈半透明淡蓝色,重量极轻,因此人们也把它称为“固态烟”。
什么是气凝胶?
SiO2气凝胶SEM图
SiO2气凝胶微观图
什么是气凝胶?
气凝胶分类:按其组分,可分为单组分气凝胶,如SiO2,Al2O3,TiO2,炭气凝胶(有机气凝胶炭化后得到)等;多组分气凝胶,如SiO2/Al2O3,SiO2/TiO2等。最典型的研究最多的气凝胶是单组份的SiO2气凝胶和炭气凝胶(有机气凝胶)。
气凝胶的起源
1931 年: (the College of the Pacific in Stockton, California) 最初以硅酸钠为原料,利用超临界流体干燥技术制成了最初的真正意义上的气凝胶。 Kistler 制成的气凝胶与今天的二氧化硅气凝胶非常相似。Kistler 又制备了氧化铝、氧化钨、三氧化二铁、氧化锡、纤维素、硝酸纤维素、白明胶、琼脂、蛋白、橡胶等各类气凝胶。
但受当时科研手段的限制,这种材料的研制并没有引起科学界的重视。
上世纪七十年代:在法国政府的支持下, Stanislaus Teichner (Universite Claud Bernard, Lyon) 在寻找一种用于存储氧和火箭燃料的多孔材料的过程中,找到一种新的合成方法,即把溶胶- 凝胶化学方法用于二氧化硅气凝胶的制备中。这种方法推动了气凝胶科学的发展。他用 TMOS (tetramethyorthosilicate) 取代了 Kistler 用硅酸钠制备二氧化硅气凝胶的方法,即首先在甲醇中水解 TMOS 获得醇凝胶。这排除了 Kistler 制备中的水到乙醇的交换过程以及凝胶中无机盐存在的两个缺点。
此后,气凝胶科学和技术得到了快速发展。
1983 年: Arlon Hunt 在 Berkeley 实验室发现可用更安全、更便宜的 TEOS (tetraethylorthosilicate) 取代有毒的 TMOS 制备二氧化硅气凝胶。与此同时,微结构材料研究小组(The Microstructured Materials Group) 发现可用具有更低临界温度和临界压力的二氧化碳超临界流体取代乙醇作为超临界干燥的流体。
使得超临界干燥技术得以向实用化阶段迈进。
八十年代后期: Larry Hrubesh 领导的研究者在 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) 制备了世界上最轻的二氧化硅气凝胶, /cm 3 ,仅有空气的 3 倍。不久之后, Rick Pekala(LLNL) 制备了有机气凝胶,包括间苯二酚- 甲醛气凝胶(resorcinol-formaldehyde) 、三聚氰胺- 甲醛(melamine-formaldehyde) 气凝胶。间苯二酚- 甲醛气凝胶能够被热解得到纯碳气凝胶,该方法开创了气凝胶研究的新领域。
进入九十年代以后:对于气凝胶领域的研究更为深入。据不完全统计,近年来在各类杂志上有关气凝胶的文章以达三千多篇。美国的 Science 杂志把气凝胶列为十大热门科学之一。当人们意识到气凝胶科学的重要行之后,从 1985 年起, Jochen Fricke 教授在德国的 Wurzburg 组织了第一次气凝胶国际学术会议。随后,该会议先后在 1988 年(Montpellier , France) 、 1991 年(Wurzburg) 、 1994 年(Berkeley , California , USA) 、 1997 年(Montpellier , France) 、 2000 年(Albuquerque , USA) 、 2003 年(Washington ., USA) 召