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    氣凝膠基材的性能及應用

    氣凝膠基材的性能及應用

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    【摘要】:
    氣凝膠基材具有極高的孔隙率、極低的密度、極低的聲傳播速度、極低的介電常數、極高的比表面積等優異性能,由于這些出色的特性,氣凝膠被期許為“改變世界的神奇材料”,在熱學、光學、聲學、微電子、催化、航空航天、節能建筑等領域具有十分廣闊的應用前景。

    氣凝膠基材具有極高的孔隙率、極低的密度、極低的聲傳播速度、極低的介電常數、極高的比表面積等優異性能,由于這些出色的特性,氣凝膠被期許為“改變世界的神奇材料”,在熱學、光學、聲學、微電子、催化、航空航天、節能建筑等領域具有十分廣闊的應用前景。

    氣凝膠的微觀結構決定了其熱導率處于非常低的范圍,這是氣凝膠很重要的一個特性,如SiO2氣凝膠的熱導率通常為0.015W/m·k,是優異的絕熱保溫材料,可廣泛應用于保溫領域,如設備保溫、管道保溫、建筑外墻保溫等,這是將氣凝膠大規模工業化生產的主要應用方向。

    氣凝膠基材作為絕熱材料被越來越多地應用于航空航天和航海領域。據報道,航天器在執行任務期間,夜間的溫度一般會低于–70℃,而采用氣凝膠復合材料對航天器進行保溫時,航天器內部溫度能夠穩定保持在室溫(25℃)左右,這樣可以在外部溫度極端低的情況下,其內部的電子設備不受溫度影響而能正常地執行任務。

    光學領域應用

    氣凝膠基材的光學透射和散射性質是其所具有的另一種重要特性,可將氣凝膠材料制作成透明的隔熱窗戶,既具備常規玻璃的功效,同時起到保溫隔熱作用,有望在房屋、建筑物上得到大量應用。另外,盡管存在一定程度的散射,但氣凝膠的透明度和可見光透射率非常高,可用作高溫觀察窗口使用。
    聲學領域應用

    氣凝膠基材中的聲傳播取決于凝膠間隙中的孔隙性質及氣凝膠密度等。在凝膠網絡傳播過程中,聲波由于波能量逐漸轉移被衰減,所以在振幅和速度上都大大減弱,這使得氣凝膠非常適用于聲學隔音裝置,由于其低聲速特性,氣凝膠是一種理想的聲學延遲及高溫隔音材料。

    氣凝膠基材

    電學及催化領域應用

    氣凝膠的相對介電常數很低(1<e<2),而且可通過改變其密度調節介電常數值。因此,氣凝膠可被制成超低介電常數集成電路材料。介電常數值很低且可以調節,其熱膨脹系數與硅材料相近,因此應力很小,而且與聚酰亞胺相比,氣凝膠有良好的高溫穩定性。因此,如將集成電路所用的襯底材料改成氣凝膠薄膜,其運算速度可提高3倍,氣凝膠在電學領域展示出了巨大的應用潛力。

    吸附和存儲性能

    由于氣凝膠基材由納米顆粒骨架構成,具有高通透性的三維納米網絡結構,很高的比表面積和孔隙率,且孔洞又與外界相通,因此具有非常良好的吸附特性,在氣體過濾器、吸附介質方面有著很大的應用價值。

    力學性能

    氣凝膠基材超高的孔隙率使其在力學性能上表現出了高度脆性及易碎的特點,尤其對于眾多無機氣凝膠,脆弱的力學性能是阻礙其應用的關鍵因素。目前,提升無機氣凝膠的力學性能主要從以下3個層面展開。從宏觀層面出發,以纖維作為基材與無機氣凝膠進行復合可顯著提升復合氣凝膠的彈性性能。從粒子層面出發,通過將無機氣凝膠與一些有機化合物進行復合,如環氧樹脂、聚苯乙烯等,可增強無機氣凝膠的骨架結構,從而提升其力學性能。從分子層面出發,使用含有不同有機取代基的前驅體可對無機氣凝膠的力學性能進行改善,該方法目前被廣泛應用于硅系氣凝膠的制備。

    除了高度脆性及易碎的特點外,氣凝膠基材另一個重要的力學特性表現在該類材料具有極低的模量。氣凝膠的Young’s模量為106N/m2數量級,比相應的玻璃態低4個數量級。極低的模量使氣凝膠具有抗震、耐沖擊的特性,若將其進一步制成密度呈梯度變化的塊體材料,可應用于空間高速粒子的捕獲。

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