气凝胶材料

气凝胶综述

气凝胶是目前世界上最轻的固体材料、导热系数最低的材料,它具有众多可以颠覆传统技术的特点,并且新的优良特性不断地被发现。《SCIENCE》杂志将气凝胶列为未来全球最具潜力十大新材料之一,2007年9月英国泰晤士报发表专家文章称“气凝胶–一个可以改变世界的材料”。从上世纪80年代起,世界技术强国就投入大量资金人力进行研究,我国也从90年代开始进行研究并投入了巨额资金。目前,国际上关于气凝胶材料的研究工作主要集中在德国、美国、法国、日本等国家。国内研究主要以国家纳米科学中心、同济大学、中科院化学所、国防科大、英德埃力生公司等为代表。

 

据统计,全球气凝胶年产量不足10万立方米,三分之二在美国,最大厂家阿斯彭公司隶属于美国宇航局,由于价格昂贵其产品主要应用在航空航天、军事、石油。国内有几家企业主要以高价进口国外设备生产含气凝胶的保温毡为主,而国内生产基础原材料气凝胶的产量低于1千立方米仅限于高端用途且价格昂贵,由于制备工艺复杂、投资巨大以及产量有限使民用领域推广受到局限,市场难以接受。

 

弘大科技公司全体同仁在“中关村高端创业领军人才”李光武董事长的带领下,突破创新了纳米新材料气凝胶大规模低成本产业化制备技术、微晶纳孔金属制备技术、无机盐水合物长效蓄能技术、石油泄漏污染治理技术等一系列应用工程技术。大幅降低了气凝胶的生产成本,使得气凝胶可以民用化。

弘大科技气凝胶主要技术参数

品名 二氧化硅气凝胶颗粒
颜色 白色、半透明
密度(比重) <40kg/m3
孔隙率 99%
导热系数 0.011w/k.m
比表面积 1250m2/g
憎水率 95%
粒径 5-10μm
孔洞大小 10-50nm

气凝胶的特性及应用前景

气凝胶是由胶体粒子相互聚结而构成的纳米多孔网络结构。其孔隙率可达80-99.8%,孔洞尺寸一般在1-70nm之间,其密度最轻仅为空气密度的2.75倍,是当今世界上密度最小的固体。气凝胶非常坚固耐用,可以承受相当于自身质量几千倍的压力。气凝胶耐高温,最高可以承受1200℃。它的绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。此外,气凝胶还能吸收像原油一样的污染物,被科学家们描述为“终极海绵”。

 

气凝胶为纳米结构多孔材料,具有低导热系数、低折射率、低弹性模量、低密度、低声阻抗、耐温高、阻燃等优良性能。该材料在航空、国防、通讯、医用、电子、冶金、太阳能、建筑、声学、高温隔音、超级储能器件、环保以及化工等许多领域蕴藏着非常广泛的应用前景。

 

点击下面按钮,了解更多信息。

隔热特性及应用

工业领域:在石油、电力、化工、冶金等行业中,输油管道、电厂燃煤供热管道、蒸汽管道、炉窑及其它热工设备普遍存在,用SiO2气凝胶及其复合材料替代传统的保温材料对它们进行保温,可以大大减少热能损失,提高热能利用率;还可用作液态天然气罐和储油罐、汽车和飞机等发动机和排气管的隔热材料。

 

民用领域:热导率极低的SiO2气凝胶可用作为冰箱的隔热材料,还可以用于楼房建筑的保温、隔音材料等。常用建筑保温材料多为聚苯乙烯、聚氨酯等高分子发泡材料,材料尺寸较厚,给施工、后期维护及稳定性带来许多问题,而且高分子保温材料易燃,容易引起火灾。SiO2气凝胶能耐高温,一般在800℃下,结构、性能无明显变化,是一种安全、节能、环保的超级绝热材料。

 

此外,具有高度透光率及低热导率的气凝胶对入射光几乎没有反射损失,能有效的透过太阳光,气凝胶又能有效阻止热量流失。因此气凝胶特别适合于用作太阳能集热器及其它集热装置的保温隔热材料。将气凝胶绝热材料应用于热水器的储水箱、管道和集热器,将比现有太阳能热水器的集热效率提高1倍以上,而热损失下降到现有水平的30%以下。

 

航天领域:气凝胶超级绝热材料质量、隔热效果优异,在航空、航天应用领域具有很好的应用前景。美国NASA Ames研究中心研发的硅酸铝耐火纤维/SiO2气凝胶复合绝热瓦已用于航天飞机,俄罗斯的“和平号”空间站也采用了SiO2气凝胶作为隔热保温材料。气凝胶正用来为人类首次登陆火星时所穿的太空服研制一种保温隔热衬里。Aspen Aerogel公司的一位资深科学家马克•克拉耶夫斯基认为,一层18毫米的气凝胶将足以保护宇航员抵御零下130度的低温。

高强度特性及应用

当纳米球体在小于一定尺寸后,具有量子力学层面巨大的耐压强度。利用气凝胶纳米孔洞质轻、抗压、单球体抗拉伸特性,添加于工程塑料或碳素纤维里,大大提高其强度。

 

我们与中国船舶重工集团第712所下属中国电力技术国防科技重点实验室、天津XX电池厂进行了铅酸电解液电池添加剂的技术交流,论证了用气凝胶作为添加剂解决铅酸电池电解液衰减问题,延长电池使用寿命,下一步将进行实际的测试。

 

气凝胶也正走进我们的日常生活。运动器材公司邓禄普(Dunlop)已经研制出一系列用气凝胶加固的壁球和网球球拍,据说这种球拍能释放更大的力量。

高吸能特性及应用

军用领域:防爆装甲的研制。

民用领域:汽车防撞击保护围裙,及其各种需要防撞击的材料。运动鞋底的缓冲材料也可以使用气凝胶。

低介电系数特性及应用

适于生产新一代的高性能电子产品。

超低声音传播速度及应用

利用超低声音传播速度的特性,应用在建筑、舰船、列车等的隔音降噪,以及很多日常生活中有减震、隔音、降噪需要的技术领域。

亲水、疏水性,亲油、疏油性及应用

环保领域:采用疏水亲油型气凝胶,可以对海洋石油泄露油污进行富集回收,而且不会产生新的污染。

 

五金家电:采用疏油的气凝胶加入到脱排油烟机的出风口管道中,将管道中空气残留油污的回收,大大减少空气污染。

 

工业领域:石油开采面对的难题:含大量水的石油被开采出后,分离的大量水难以处理,采用化学分解乳化方式在处理不完全的情况下注回地下。采用亲油疏水型气凝胶可以对石油开采中产生废水中的石油进行回收。

 

涂料:采用具有疏水和隔热保温特性的气凝胶作为涂料的添加剂可以大大提高涂料的疏水性以及隔热保温的效果,同时这种自清洁建筑涂料非常环保,无污染。

红外吸收特性及应用

气凝胶的红外吸收特性,就被国外军工企业充分利用,阿帕奇直升机喷火口,应用了气凝胶护筒,使得红外探测几乎无法发现喷火口的高温区,红外隐蔽特性突出。

高比表面积特性及应用

利用气凝胶用来制造催化剂或催化剂载体,氧化、氢化、硝基化、过氧化、部分氧化的催化效率穿过原有形式催化剂很多。

 

电力输送过程中的集肤效应, 说明输送电力的缆线无论多粗,其输送能力主要依靠电缆表面输送。根据R=ɛ·L/S同样可以看出电阻与缆线截面积大小成反比。由此可见,如果生产出一款轻质/稳定/比表面极大/低电阻/散热速度极强的电力输送缆线产品, 是否很容易进入市场, 并且可以节约大量能源、输电材料。

高孔隙率特性

在环境保护及化学工业方面,纳米结构的气凝胶还可作为新型气体过滤,与其它材料不同的是该材料孔洞大小分布均匀,气孔率高,是一种高效气体过滤材料。气凝胶还可以用作吸附材料,例如吸附CO2气体,吸附苯等化学有毒气体,吸附炸药废水等。

 

此外,气凝胶近年来被广泛应用于Cerenkov探测器中,以探测高能带电粒子。

其他特性

由轻原子量元素组成的低密度、微孔分布均匀的SiO2气凝胶对氖具有良好的吸附性能,因而为惯性约束聚变实验研制高增益靶提供了一个新途径,这对于利用受控热核聚变反应来获得廉价、清洁的能源具有重要意义。

 

此外,SiO2气凝胶也曾一度被用于等离子体研究中作为惯性限制熔融试验体目标组分。如此众多的特性,使气凝胶这个出色的纳米材料能够得到广泛的应用。作为基础材料,随着技术的不断进步,应用范围会逐步扩大。