何为气凝胶？

　　气凝胶是世界上已知密度最低的人造发泡物质。气凝胶借由临界干燥法将凝胶里的液体成分抽出。这种方法会令液体缓慢地被脱出，但不至于使凝胶里的固体结构因为伴随的毛细作用被挤压破碎。最早由美国科学工作者Kistler在1931年制得。气凝胶的种类很多，有硅系，碳系，硫系，金属氧化物系，金属系等。气凝胶拥有诸多优异特性，其中热学方面特性最受人们重视，也是最具产业化价值的，被誉为超级隔热材料，其隔热保温上的应用形式，主要为气凝胶毡、气凝胶板等。

　　气凝胶也是一种固体物质形态，世界上密度最小的固体之一。一般常见的气凝胶为硅气凝胶，但也有碳气凝胶存在。

　　因为密度极低，目前最轻的硅气凝胶仅有3mg/cm3 ，比空气重三倍，所以也被叫做“冻结的烟”或“蓝烟”。由于里面的颗粒非常小（纳米量级），所以可见光经过它时散射较小（瑞利散射），就像阳光经过空气一样。因此，它也和天空一样看着发蓝，如果对着光看有点发红。由于气凝胶中99.8%以上是空气，所以有非常好的隔热效果，一寸厚的气凝胶相当20—30块普通玻璃的隔热功能。

　　气凝胶在航天探测上也有多种用途，在俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”的探测器上都有用到这种材料。气凝胶也在粒子物理实验中，使用来作为切连科夫效应的探测器。

气凝胶

　　气凝胶的特性？

　　气凝胶因其半透明的色彩和超轻重量，有时也被称为“固态烟”或“冻住的烟”。这种新材料看似脆弱不堪，其实非常坚固耐用，最高能承受1400摄氏度的高温。它可以承受相当于自身质量几千倍的压力，此外它的导热性和折射率也很低，绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。

　　气凝胶用在哪里？

　　（一）气凝胶在石油化工方面的应用

　　据报道操作人员在开采海底油田和气田时的一项关键需求，是输送未加工炭氢化合物的能力，它们经常处于高温高压状态下，而且沿海底的输送距离也越来越长。若没有充分的绝热，这些炭氢化合物将发生冷却并生成水合物或蜡化，最终堵塞流送管，对操作人员产生巨大的成本，气凝胶卓越的保温性能可以很好的解决这一问题。

　　（二）气凝胶在船舶上面的应用

　　随着远洋运输、海上油田的发展，与之配套的海上钻井平台、石油运输船、液化天然气（LNG）船，液化石油气（LPG）船等发展迅速。这些特种船舶对于隔热保温和防火分隔提出了更高的要求，也成为气凝胶材料应用新的平台。

　　（三）气凝胶在建筑方面的应用

　　气凝胶卓越的保温性能让他可以在建筑保温方面具有十分强大的潜力，相对于目前使用的聚苯泡沫气凝胶不仅保温隔热效果更好，而且不可燃烧，可以有效的防止火灾的发生。气凝胶的耐老化性能也十分良好，可以保证外保温体30年不老化。目前气凝胶的成本相对较高，等将来工艺更加的优化，成本下降，必将在建筑保温方面大量应用。同时由于气凝胶的透光性，使其可以用来制作透光屋顶。

　　（四）气凝胶在航空航天方面的应用

　　目前，气凝胶已经在航空航天需要隔热保温的地方中大量使用。其中有一项就是在航空航天用热电池上的应用，使用气凝胶材料作为隔热保温层完美的解决了航空航天对热电池高性能的要求，下图为某种热电池的隔热气凝胶材料。

　　（五）气凝胶在其他方面的应用

　　气凝胶卓越的隔热保温性能使得他在电化学、服装、新能源、催化剂等方面也有十分强大的应用潜力。由于气凝胶的孔隙都是纳米级的，比表面积很大这使得他吸附能力较大，可以在用来做催化剂的载体；由于其吸附性，同时密度极低，所以也可以用来储氢；他良好的保温性可以用来制作服装，只需要很薄的一层就可以达到很好的保温效果；防弹不怕被炸，防弹是新型气凝胶的第二个重要用途。美国宇航局的这家公司正在对用气凝胶建造的住所和军车进行测试。根据试验室的试验情况来看，如果在金属片上加一层厚约6毫米的气凝胶，那么，就算炸药直接炸中，对金属片也分毫无伤；可处理生态灾难，环保是新型气凝胶的第三个重要作用。科学家们将气凝胶亲切地称为“超级海绵”，因为其表面有成百上千万的小孔，所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。美国科学家新发明的气凝胶现在居然能吸出水中的铅和水银。据这位科学家称，这种气凝胶是处理生态灾难的绝好材料；网球拍击球能力更强，新型气凝胶也将步入我们每个人的未来日常生活。比如说美国的Dunlop体育器材公司已经成功研发了气凝胶制成的网球拍。这种网球拍据说击球的能力更强；今年年初，66岁的鲍博·斯托克成为第一个用气凝胶建房子的英国人：“保温加热的效果非常好，我将空调的温度下降了5℃，结果室内的温度仍然非常舒适。”登山者也对气凝胶的运用充满了希望。英国登山家安尼·帕尔门特去年登珠峰时所穿的鞋子就是用气凝胶制成的，他的睡袋里也有一层这种新材料。

　　气凝胶的应用前景？

　　●制作简便，其形状、尺寸可任意调节。在世界已诞生的成果中，高超课题组制备的“碳海绵”仍是最轻纪录保持者。可达到0.16毫克/立方厘米，低于氦气的密度。

　　●大规模制造成可能。科学家声称，气凝胶的基本制备原理是除去凝胶中的溶剂，让其保留完整的骨架。在以往制备气凝胶的案例中，科学家主要采用溶胶—凝胶法和模板导向法。前者可以批量合成，但是可控性差；后者能产生有序的结构，但依赖于模板的精细结构和尺寸，难以大量制备。浙江大学高分子系高超教授的课题组另辟蹊径，探索出无模板冷冻干燥法：将溶解了石墨烯和碳纳米管的水溶液在低温下冻干，便获得了“碳海绵”，并且可以任意调节形状，令生产过程更加便捷，也使这种超轻材料的大规模制造和应用成为可能。

　　●性能优越，高弹性、强吸附，应用前景广阔。据专家介绍，“碳海绵”具备高弹性，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力，是迄今已报道的吸油力最高的材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而“碳海绵”的吸收量是250倍左右，最高可达900倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有机物的速度极快：每克这样的“碳海绵”每秒可以吸收68.8克有机物。 20世纪，实验室正在对这一材料的吸附性能进行进一步的应用性研究。科研人员声称，“碳海绵”还可能成为理想的相变储能保温材料、催化载体、吸音材料以及高效复合材料。不过很难准确预计其应用领域与前景，还得依靠社会以及产业界的想象力，让这个新材料走出实验室，实现应用价值。




 

责任编辑：王元

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