氣凝膠的應用與探討

氣凝膠（aerogels）與干凝膠（xerogels）并非同一概念，國外相關文獻指出，濕凝膠經過超臨界干燥得到的是氣凝膠，經過常壓干燥得到的是干凝膠。嚴格講，氣凝膠應是塊狀結構，而干凝膠一般是粉體或者顆粒。

氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量，有時也被稱為“固態煙”或“凍住的煙”。這種新材料看似脆弱不堪，其實非常堅固耐用，不同成份的氣凝膠可以承受不同的溫度，常見的氧化硅氣凝膠可以在零度到650℃的范圍內使用，有些類型的氣凝膠高能承受1400℃的高溫。氣凝膠的這些特性在航天探測上有多種用途。俄羅斯“和平”號空間站和美國“勇氣號”火星探測器上，都用到了氣凝膠材料。

不同氣凝膠的制備方法也不相同。但是其制備歷程大同小異，一般是采用溶膠-凝膠法制備濕凝膠（wet gel），濕凝膠經溶劑置換和超臨界工作得到相應的氣凝膠。

(1)孔隙率很高，可高達99.8%；科學家們表示，因為它有數百萬小孔和皺摺，所以如果把1立方厘米的氣凝膠拆開，它會填滿一個有足球場那么大的地方。它的小孔不僅能像一塊海綿一樣吸附污染物，還能充當氣穴。一些形式的由鉑金制成的氣凝膠能用于加速水解及氫的產生。這樣的話，氣凝膠就能用來生產以氫為基礎的燃料。

(2)納米級別孔洞(~20nm)和三維納米骨架顆粒(2~5nm)；

(3) 高比表面積，可高達1000m2/g；

(4) 低密度，可低至0.003g/cm3。

(5)氣凝膠*的結構決定了其具有極低的熱導率，常溫下可以低至0.013W/(m•K)，比空氣的導熱系數還低。

(6)強度低，脆性大，由于其比表面積和孔隙率很大，密度很低，導致其強度很低。如SiO2氣凝膠楊氏模量不到10MPa，抗拉強度只有16KPa，斷裂韌度只有0.8kPa•m1/2

1.超級絕熱材料

材料的熱傳導由氣態傳導、固態傳導和熱輻射傳導決定。由于氣凝膠材料具有納米多孔結構,因此常壓下氣態熱導率λg很小,真空下熱傳導由固態傳導和熱輻射傳導決定。同玻璃態材料相比,納米多孔材料由于高孔隙限制了稀疏骨架中鏈的局部激發的傳播,使得固態熱導率λs僅為非多孔玻璃態材料熱導率的1/500左右。Nilsson等檢測室溫下氣凝膠熱導率為0.013~0.016W/(m•K),靜態空氣的熱導率為0.024W/(m•K),即使在800℃的高溫下其導熱系數才為0.043W/(m•K),是目前隔熱性能好的固態材料。

（1）太陽能熱水器

太陽能熱水器及其他集熱裝置的保溫成了能否進一步提高太陽能裝置的能源利用率和進一步提高其實用性的關鍵因素。將納米孔超級絕熱材料應用于熱水器的儲水箱、管道和集熱器，將比現有太陽能熱水器的集熱效率提高1倍以上，而熱損失下降到現有水平的30%以下。

（2）在熱電池上應用

可延長熱電池的工作壽命,防止生成的熱影響熱電池周圍的元器件。

（3）軍事及航天領域

與傳統絕熱材料相比，納米孔氣凝膠超級絕熱材料可以用更輕的質量、更小的體積達到等效的隔熱效果。這一特點使其在航空、航天應用領域具有舉足輕重的優勢。如果用作航空發動機的隔熱材料，既起到了隔熱作用，又減輕了發動機的重量。作為外太空探險工具和交通工具上的超級絕熱材料也有很好的應用前景。

凝膠在航天中的應用遠不止這些，美國宇航局的“星塵”號空間探測器已經帶著它在太空中完成了一項十分重要的使命———收集彗星微粒。星塵號上的氣凝膠方陣科學家認為，彗星微粒中包含著太陽系中原始、古老的物質，研究它可以幫助人類更清楚地了解太陽和行星的歷史。2006年，“星塵”號飛船將帶著人類獲得的批彗星星塵樣品返回地球。

但收集彗星星塵并不是件容易的事，它的速度相當快，盡管體積比沙粒還要小，可是當它以如此高速接觸其它物質時，自身的物理和化學組成都有可能發生改變，甚至*被蒸發。如今科學家有了氣凝膠，這個問題就變得很簡單了。它就像一個極其柔軟的棒球手套，可以輕輕地消減彗星星塵的速度，使它在滑行一段相當于自身長度200倍的距離后慢慢停下來。在進入“氣凝膠手套”后，星塵會留下一段胡蘿卜狀的軌跡，由于氣凝膠幾乎是透明的，科學家可以按照軌跡輕松地找到這些微粒。

（4）工業及建筑絕熱領域

在工業及民用領域納米孔超級絕熱材料有著廣泛的應用價值。首先,在電力、石化、化工、冶金、建材行業以及其他工業領域，熱工設備普遍存在。工業節能中,納米孔超級絕熱材料也起著非常重要的作用,其中有些特殊的部位和環境，由于受重量、體積或空間的限制,急需的超級絕熱材料。

2.在催化劑以及催化載體方面的應用

氣凝膠是一種由超微粒子組成的固體材料,具有小粒徑、高比表面積和低密度等特點,使SiO2氣凝膠催化劑的活性和選擇性遠遠高于常規催化劑,而且它還可以有效減少副反應的發生。Kister制備出SiO2氣凝膠后不久就指出，氣凝膠因其高的孔隙率、比表面積和開放的織態結構,在催化劑和催化載體方面具有潛在的應用價值，但因小的熱導率和低的滲透性影響了氣凝膠在催化反應中的傳熱和傳質，使其應用受到限制。

3.在其它方面的應用

SiO2氣凝膠具有*的比表面積和孔隙率,近年來被廣泛應用于Cerenkov探測器中,以探測高能帶電粒子和在太空中捕集隕石微粒的介質材料。SiO2氣凝膠也曾一度被用于等離子體研究中作為慣性限制熔融試驗體目標組分。因其具有低的表觀密度和熱導率,耐高溫性能,氣凝膠作為隔熱消音材料很有前途。

由輕原子量元素組成的低密度、微孔分布均勻的SiO2氣凝膠對氖具有良好的吸附性能,因而為慣性約束聚變實驗研制高增益靶提供了一個新途徑,這對于利用受控熱核聚變反應來獲得廉價、清潔的能源具有重要意義。

4.氣凝膠在日常生活中的應用

氣凝膠也正走進我們的日常生活。運動器材公司鄧祿普(Dunlop)已經研制出一系列用氣凝膠加固的壁球和網球球拍，據說這種球拍能釋放更大的力量。今年初，英國諾丁漢66歲的鮑勃•斯托克爾擁有了一套用氣凝膠隔熱的房子，他也因此成為擁有這種房子的位英國人。他說：“保溫效果大大改善了。我把自動調溫器調低了5度。這真是一個不可思議的變化。”

登山者也開始從氣凝膠中受益。去年，一位英國登山者安妮•帕曼特爾穿上帶氣凝膠鞋墊的靴子爬上珠穆朗瑪峰，就連睡袋也加有這種材料。她說：“我的問題就是我的腳太熱，這對一名登山者來說是一個大難題。”

不過，它還沒能征服時尚界。Hugo Boss公司推出了一系列用這種材料制成的冬季夾克，但在消費者紛紛抱怨這種衣服太熱之后不得不下架。

在環境保護及化學工業方面，納米結構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，是一種氣體過濾材料。由于該材料特別大的比表而積．氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方而亦有廣闊的應用前景。

5.在電化學方面的應用

在儲能器件方而，有機氣凝膠經過燒結工藝處理后將得到碳氣凝膠 這種導電的多孔材料是繼纖維狀活性碳以后發展起來的一種新型碳素材料，它具有很大的比表面積(600—1000 m2／g)和高電導率(10~25 s／cm)．而目．密度變化范圍廣(0.05~1.0 g／cm3)．如在其微孔洞內充人適當的電解液，可以制成新型可充電電池，它具有儲電容量大、內阻小、重量輕、充放電能力強、可多次重復使用等優異特性，初步實驗結果表明：碳氣凝膠的充電容量達3×104／kg2，功率密度為7 kw／kg，反復充放電性能良好。

6.儲氫材料

氫能具有很高的熱值，燃燒釋能后的產物是水，對環境無污染，此外，氫能為可再生能源，不會枯竭，因而被譽為21世紀的綠色新能源。美國Lawrence Livermore實驗室和伊利諾斯大學研究表明：炭氣凝膠具有高比表面積、低密度、連續的網絡結構且孔洞尺寸很小又與外界相通，具有優良的吸、放氫性能。美國能源部于2005年專門設立了機構，研究摻雜金屬的炭氣凝膠貯氫，并給予財政資助。

7.氣體或者液體吸附

氣凝膠還可以用作吸附材料，不如吸附CO2氣體，吸附一些化學有毒蒸汽，吸附廢水等。