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气凝胶基材的性能及应用

气凝胶基材的性能及应用

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【摘要】:
气凝胶基材具有极高的孔隙率、极低的密度、极低的声传播速度、极低的介电常数、极高的比表面积等优异性能,由于这些出色的特性,气凝胶被期许为“改变世界的神奇材料”,在热学、光学、声学、微电子、催化、航空航天、节能建筑等领域具有十分广阔的应用前景。

气凝胶基材具有极高的孔隙率、极低的密度、极低的声传播速度、极低的介电常数、极高的比表面积等优异性能,由于这些出色的特性,气凝胶被期许为“改变世界的神奇材料”,在热学、光学、声学、微电子、催化、航空航天、节能建筑等领域具有十分广阔的应用前景。

气凝胶的微观结构决定了其热导率处于非常低的范围,这是气凝胶很重要的一个特性,如SiO2气凝胶的热导率通常为0.015W/m·k,是优异的绝热保温材料,可广泛应用于保温领域,如设备保温、管道保温、建筑外墙保温等,这是将气凝胶大规模工业化生产的主要应用方向。

气凝胶基材作为绝热材料被越来越多地应用于航空航天和航海领域。据报道,航天器在执行任务期间,夜间的温度一般会低于–70℃,而采用气凝胶复合材料对航天器进行保温时,航天器内部温度能够稳定保持在室温(25℃)左右,这样可以在外部温度极端低的情况下,其内部的电子设备不受温度影响而能正常地执行任务。

光学领域应用

气凝胶基材的光学透射和散射性质是其所具有的另一种重要特性,可将气凝胶材料制作成透明的隔热窗户,既具备常规玻璃的功效,同时起到保温隔热作用,有望在房屋、建筑物上得到大量应用。另外,尽管存在一定程度的散射,但气凝胶的透明度和可见光透射率非常高,可用作高温观察窗口使用。
声学领域应用

气凝胶基材中的声传播取决于凝胶间隙中的孔隙性质及气凝胶密度等。在凝胶网络传播过程中,声波由于波能量逐渐转移被衰减,所以在振幅和速度上都大大减弱,这使得气凝胶非常适用于声学隔音装置,由于其低声速特性,气凝胶是一种理想的声学延迟及高温隔音材料。

气凝胶基材

电学及催化领域应用

气凝胶的相对介电常数很低(1<e<2),而且可通过改变其密度调节介电常数值。因此,气凝胶可被制成超低介电常数集成电路材料。介电常数值很低且可以调节,其热膨胀系数与硅材料相近,因此应力很小,而且与聚酰亚胺相比,气凝胶有良好的高温稳定性。因此,如将集成电路所用的衬底材料改成气凝胶薄膜,其运算速度可提高3倍,气凝胶在电学领域展示出了巨大的应用潜力。

吸附和存储性能

由于气凝胶基材由纳米颗粒骨架构成,具有高通透性的三维纳米网络结构,很高的比表面积和孔隙率,且孔洞又与外界相通,因此具有非常良好的吸附特性,在气体过滤器、吸附介质方面有着很大的应用价值。

力学性能

气凝胶基材超高的孔隙率使其在力学性能上表现出了高度脆性及易碎的特点,尤其对于众多无机气凝胶,脆弱的力学性能是阻碍其应用的关键因素。目前,提升无机气凝胶的力学性能主要从以下3个层面展开。从宏观层面出发,以纤维作为基材与无机气凝胶进行复合可显著提升复合气凝胶的弹性性能。从粒子层面出发,通过将无机气凝胶与一些有机化合物进行复合,如环氧树脂、聚苯乙烯等,可增强无机气凝胶的骨架结构,从而提升其力学性能。从分子层面出发,使用含有不同有机取代基的前驱体可对无机气凝胶的力学性能进行改善,该方法目前被广泛应用于硅系气凝胶的制备。

除了高度脆性及易碎的特点外,气凝胶基材另一个重要的力学特性表现在该类材料具有极低的模量。气凝胶的Young’s模量为106N/m2数量级,比相应的玻璃态低4个数量级。极低的模量使气凝胶具有抗震、耐冲击的特性,若将其进一步制成密度呈梯度变化的块体材料,可应用于空间高速粒子的捕获。

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