气凝胶的应用.doc

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1、气凝胶的应用气凝胶的应用2010年09月25日　　气凝胶除了在学术领域的研究以外，已经成功应用于不同领域。最早在Kistler的帮助下，Monsanto公司开始销售“aerogel”。该公司的产品是粒状二氧化硅材料。这种材料用于化妆品或牙膏中的添加剂或触变剂。上世纪八十年代早期，瑞典的Airglas公司开始生产气凝胶作为切仑可夫(cherenkov)探测器的部件。JetPropulsion实验室制备的二氧化硅气凝胶已经在航天飞机上得到使用，用于收集和获得高速宇宙尘埃。由C.JeffBrinker和Doug

2、Smith领导的研究者通过在干燥前化学修饰凝胶表面的方法，取代了超临界干燥的过程，这成为廉价气凝胶商业化的基础。1992年，Hoechst公司(Frankfurt，Germany)也开始了低价气凝胶粒子的研究。Aeroje公司(Sacramento，California)开始与Berkeley实验室(LLNL)合作。在德国，BASF同时也开发了CO2取代法，用硅酸钠制备二氧化硅气凝胶珠的方法。　　气凝胶的独特结构及低热导率、低密度的特性决定其最重要的应用之一是作为超级隔热材料，可以广泛应用于航空航天、汽车

3、、建筑等领域。美国NASA已经将气凝胶作为超级隔热材料应用于火星探测器的“漫游车”上，并已经成功发射到火星。德国的宝马汽车公司(BMW)在水冷散热器上包覆气凝胶层，能够显著提高散热器的使用温度，增强冬季条件下汽车的抗冻能力。SiO2气凝胶具有高度透光率并能有效阻止环境温度的热辐射，瑞士和德国采用颗粒状气凝胶设计了透明玻璃墙，它是一种既能过透过太阳光，又能有效积累太阳热量并抑制热散失的透明隔热体。此外SiO2气凝胶窗的开发研究已在德国、英国、比利时等国的数家公司联合开展，预计SiO2气凝胶窗具有广阔的市场前

4、景。另外无机气凝胶由于其耐高（Al2O3气凝胶能耐2000℃高温）、超低密度等特性，使其成为航空航天器上理想的隔热材料。而意大利佛罗伦萨的“新星公司(Nove)”则首先生产以气凝胶为保温介质的短上衣。这种半透明的保温介质是世界上最轻的固体之一，用其制成的保暖上衣自然是轻薄无比。另外，美国NASAAmes研究中心开发的陶瓷纤SiO2气凝胶复合材料已经用于高马赫数飞行器。2001年美国NASAAATD和JTCG基金也展开了旋翼飞行器的轻质气凝胶隔热材料研究(LTIR)及气凝胶与航天器生存能力(ARIAS)的研

5、究。　　由于气凝胶特有的纳米多孔、三维网络结构，气凝胶具有许多独特的性能，尤其表现在高孔隙率、低密度、低热导率等方面。下面从气凝胶性能角度介绍其应用，其中重点介绍气凝胶在热学、电学领域的应用。　　•气凝胶的热学性质及应用　　目前，人们用粉末、块状或颗粒状气凝胶替代由弗里昂发制的聚氨酯泡沫作为绝热材料。美国NASAAmes研究中心SusanWhite等开发的陶瓷纤维—硅气凝胶复合绝热瓦，即以原来航天飞机使用的用陶瓷纤维制成的半硬质隔热瓦为基础，将气凝胶先驱体注入装有陶瓷纤维板的模具，按照预定的复合尺寸浇入合

6、适的深度。在充满气凝胶的部分，陶瓷纤维作为支撑骨架，而具有纳米孔结构的气凝胶充满骨架之间的微米级孔隙。美国“火星探路者”的运载火箭以及俄罗斯的“和平”号空间站采用了硅气凝胶作为隔热保护材料。　　•气凝胶的光学性质及应用　　许多气凝胶能够制成透明或半透明材料，如硅气凝胶。气凝胶的折射率接近于1，对入射光几乎没有反射损失，能有效透过太阳光，并阻止环境的热红外辐射。国外之所以把硅气凝胶称为“冻烟”，是因为硅气凝胶对透射光的红化现象及折射光呈现蓝色。人们利用气凝胶介质此特性，最早用于切仑可夫探测器，与高压气体相比

7、，其操作更简单且安全。超低密度的气凝胶已经被用作轻质反射器背衬材料。　　•气凝胶的电学性质及应用　　在电学性质方面，由于其具有低介电常数、高比表面积、高介电强度等特点，气凝胶有非常优越的表现。尤其是有机气凝胶和金属氧化物气凝胶，是非常优异的介电体，可用作高压绝缘材料，高速或超速集成电路的衬底材料，真空电极的隔离介质以及超级电容器。另外一个重要应用是利用碳气凝胶的导电性作为理想的高效的超电容器和电容消离子过程的电极材料；而有些金属氧化物气凝胶则显示出优越的超导性、热电性和压电性。Polystor公司推出一种

8、高性能的碳气凝胶电容器，称为“空气电容器”。其功率为4千瓦/千克，接近于电池的功率。美国海洋研究实验室的DebraR.Rolison及CeliaMerzbacher带领的小组通过在气凝胶凝胶前掺加其他成分制备出无污染的燃料电池。　　•气凝胶的声学性质及应用　　气凝胶的低声速特性，决定其是一种理想的声学延迟或高效隔音材料。此材料的声阻抗可变范围较大，是一种理想的超声探测器的声阻耦合材料。利用气凝胶材料当作窗户，不但透明度高，能量