气凝胶的应用与制备介绍

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1、第一章前言气凝胶的制备与应用摘要本文简要综述了气凝胶[9]的基本特性、制备方法、表征手段和其国内外研究概况；主要工作及相应结果是采用溶胶－凝胶工艺、溶剂置换和CO2超临界流体干燥方法制备出性能优良、具有纳米网络结构的气凝胶。目录1.气凝胶的性质及其应用2.气凝胶的制备3.气凝胶的结构控制及表征4.发展与展望前言气凝胶是一种新型低密度多孔纳米材料，具有独特的纳米级多孔及三维网络结构，同时具有极低的密度（3-500kg/m3）、高比表面积（200-1000m2/g）和高孔隙率（孔隙率高达80-99.8％，孔洞典型尺寸为1-100nm），从而表现出独特的光

2、学、热学、声学及电学性能[1]，具有广阔的应用前景。气凝胶主要包括无机气凝胶、有机气凝胶及炭气凝胶。1.　气凝胶的性质及其应用由于气凝胶是具有纳米结构的多孔材料，在力学、声学、热学、电学、光学方面有许多独特的性质，如具有低折射率、低声阻抗，具有极大的比表面积、低杨氏模量，对光、声的散射比传统材料小的多，这些性质使气凝胶不仅在基础研究中得到重视，而且在许多领域内有广泛的应用前景。第一章前言基础研究方面，气凝胶是研究分形结构动力学的最佳材料。散射实验表明，绝大多数气凝胶材料具有典型的分形结构，它们由尺度为a（约为1nm）的凝胶粒子相互堆积，交联形成无规三

3、维网络状结构，这些网络具有自相似结构，自相似结构持续到尺度ξ（约为100nm），在ξ尺度上，材料可看成是连续且均匀的。在不同的尺度范围内，以ξ和a为界，存在三个色散关系明显不同的激发区域，分别对应声子，分形子和粒子模的激发。要在不同试验上来检测分性子的色散关系以及不同振动区的渡越行为，就需要能够制备一系列分维数D相同而宏观密度ρξ不同的试样，而且其结构又是交互自相似的。由于气凝胶的结构可控性，通过控制凝胶过程中的各种影响因素以及超临界干燥工艺，是可以制备出符合要求的样品系列来的。机械性能方面，气凝胶的杨氏模量Y，压缩强度以及声传播速率C与其宏观密度ρ

4、之间关系都满足标度定律，可分别表示如下：C＝kρn，Y＝kρm，其中标度参量n﹑m均与气凝胶的制备条件密切相关。气凝胶的杨氏模量为106N/m2数量级，比相应玻璃态材料低4个数量级。其纵向声速可达100m/s量级。此外，声传播的另一个奇特的性质氏其弹性常数会随外界压力的增加而减小。气凝胶的声阻抗Z=ρC,可变范围很大，进而可以通过控制ρ的变化来制备成不同声阻抗Z的材料，从而，气凝胶是一种声阻抗耦合材料。热学性能方面，气凝胶具有优异的隔热属性[8]。气凝胶的热传导由气态传导、固态传导和辐射传导组成，由于气凝胶独特的纳米多孔三维网络状结构，使得在常压下材

5、料孔隙内的气体对热传导的贡献极低。即使在抽取完气凝胶内的气体后，低密度，高空隙率的气凝胶限制了局域激发的传播，使得固态传导和辐射传导也降低。气凝胶的固态传导率比相应的玻璃态材料低2-3个数量级。气凝胶的热辐射传输主要由红外吸收决定，这种材料对低温物体的贯穿辐射主要集中在3-5μm范围内。如果在气凝胶制备的溶胶－凝胶过程中中加入例如碳黑，TiO2等遮光剂，则会显著地增加红外湮灭系数，使得在常温常压下，粉末气凝胶和块状气凝胶的热导率都将降低，如果对其进行抽真空处理，则其总热导率将会将至更低的水平，这也是目前粉体和块体材料的最低值。另外无机气凝胶能耐高温，

6、在800℃以下，结构和性能无明显变化，如Al2O3气凝胶则可耐2000℃的高温，在作为高温隔热材料方面，有着无比的优越性。电学性能方面，气凝胶的介电常数ε与质量密度ρ之间有近似的线性关系，如MF气凝胶ε-1＝1.83×10-3ρ，RF气凝胶有ε-1=1.75×10-3ρ。由于其气凝胶的介电常数特别小，因此有可能被用于高速计算的大规模集成电路的衬底材料。在将有机气凝胶炭化后制备成的炭气凝胶除了其多孔性及巨大的比表面积外，还具有到电性，其电导率σ一般在10-40s/cm，因此可以用来制造高效高能底可充电电池。这种电池实际上是一种高功率密度，高能量密度的双

7、层电化学电容器。同时由于炭气凝胶巨大的比表面积，连续且导电的三维网络状结构，目前比电容量已经达到105F/kg。光学性能方面，许多气凝胶能制成透明或半透明材料，如硅气凝胶在波长630nm处湮灭系数e＝0.1m2/kg，同时由于其密度极低，可以使得光在这个波长范围内的平均自由程很小，从而透明度很好。由于组成气凝胶的骨架结构一般都是由在1-100nm的单元组成，故对蓝光和紫外光有较强的散射。例如硅气凝胶的折射率接近1，同时对红外和可见光的湮灭系数之比高达100以上，使得其能在让太阳光有效通过的同时，还阻止环境温度的红外辐射，从而成为一种理想的透明绝热材料

8、。气凝胶还是折射率可调的材料，通过调节密度ρ可方便调节折射率n，一般n满足：n＝1+2.1×10－4ρ/kg