氣凝膠產(chǎn)品介紹.ppt

1、氣凝膠隔熱保溫復(fù)合材料,提 綱,一、氣凝膠概念與起源 二、氣凝膠性能與應(yīng)用 三、氣凝膠產(chǎn)品介紹,第一部分,氣凝膠概念與起源,什么是氣凝膠？,凝膠（gel）：溶膠或溶液中的膠體粒子或高分子在一定條件下互相連接，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)空隙中充滿了作為分散介質(zhì)的液體，這樣一種特殊的分散體系稱作凝膠。凝膠沒有流動性，內(nèi)部常含有大量液體。例如血凝膠、瓊脂的含水量都可達99%以上。由溶液或溶膠形成凝膠的過程稱為膠凝作用（gelation）。 氣凝膠（aerogel）：當凝膠脫去大部分溶劑，使凝膠中液體含量比固體含量少得多，或凝膠的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中充滿的介質(zhì)是氣體，外表呈固體狀，即分散介質(zhì)為氣體的凝膠材料稱為

2、氣凝膠，是由膠體粒子或高聚物分子相互聚結(jié)構(gòu)成的一種具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米多孔性固體材料,其固體相和孔隙結(jié)構(gòu)均為納米量級。,什么是氣凝膠？,世界最輕的固體，正式入選吉尼斯世界紀錄。 密度為3.55Kg/m3，僅為空氣密度的2.75倍。 這種氣凝膠呈半透明淡藍色，重量極輕，因此人們也把它稱為“固態(tài)煙”。,什么是氣凝膠？,SiO2氣凝膠SEM圖,SiO2氣凝膠微觀圖,什么是氣凝膠？,氣凝膠分類：按其組分，可分為單組分氣凝膠，如SiO2，Al2O3，TiO2，炭氣凝膠（有機氣凝膠炭化后得到）等；多組分氣凝膠，如SiO2/Al2O3，SiO2/TiO2等。最典型的研究最多的氣凝膠是單組份的SiO2氣凝膠和炭

3、氣凝膠（有機氣凝膠）。,氣凝膠的起源,1931 年： 美國科學家Steven.S.Kistler(the College of the Pacific in Stockton, California) 最初以硅酸鈉為原料，利用超臨界流體干燥技術(shù)制成了最初的真正意義上的氣凝膠。 Kistler 制成的氣凝膠與今天的二氧化硅氣凝膠非常相似。Kistler 又制備了氧化鋁、氧化鎢、三氧化二鐵、氧化錫、纖維素、硝酸纖維素、白明膠、瓊脂、蛋白、橡膠等各類氣凝膠。 但受當時科研手段的限制，這種材料的研制并沒有引起科學界的重視。 上世紀七十年代：在法國政府的支持下， Stanislaus Teichner

4、(Universite Claud Bernard, Lyon) 在尋找一種用于存儲氧和火箭燃料的多孔材料的過程中，找到一種新的合成方法，即把溶膠 - 凝膠化學方法用于二氧化硅氣凝膠的制備中。這種方法推動了氣凝膠科學的發(fā)展。他用 TMOS (tetramethyorthosilicate) 取代了 Kistler 用硅酸鈉制備二氧化硅氣凝膠的方法，即首先在甲醇中水解 TMOS 獲得醇凝膠。這排除了 Kistler 制備中的水到乙醇的交換過程以及凝膠中無機鹽存在的兩個缺點。 此后，氣凝膠科學和技術(shù)得到了快速發(fā)展。 1983 年： Arlon Hunt 在 Berkeley 實驗室發(fā)現(xiàn)可用更安全、

5、更便宜的 TEOS (tetraethylorthosilicate) 取代有毒的 TMOS 制備二氧化硅氣凝膠。與此同時，微結(jié)構(gòu)材料研究小組 (The Microstructured Materials Group) 發(fā)現(xiàn)可用具有更低臨界溫度和臨界壓力的二氧化碳超臨界流體取代乙醇作為超臨界干燥的流體。 使得超臨界干燥技術(shù)得以向?qū)嵱没A段邁進。 八十年代后期： Larry Hrubesh 領(lǐng)導的研究者在 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) 制備了世界上最輕的二氧化硅氣凝膠，密度是3.55mg /cm 3 ，僅有空氣的 3 倍。不久之后，

6、Rick Pekala(LLNL) 制備了有機氣凝膠，包括間苯二酚 - 甲醛氣凝膠 (resorcinol-formaldehyde) 、三聚氰胺 - 甲醛 (melamine-formaldehyde) 氣凝膠。間苯二酚 - 甲醛氣凝膠能夠被熱解得到純碳氣凝膠，該方法開創(chuàng)了氣凝膠研究的新領(lǐng)域。 進入九十年代以后：對于氣凝膠領(lǐng)域的研究更為深入。據(jù)不完全統(tǒng)計，近年來在各類雜志上有關(guān)氣凝膠的文章以達三千多篇。美國的 Science 雜志把氣凝膠列為十大熱門科學之一。當人們意識到氣凝膠科學的重要行之后，從 1985 年起， Jochen Fricke 教授在德國的 Wurzburg 組織了第一次氣凝

7、膠國際學術(shù)會議。隨后，該會議先后在 1988 年 (Montpellier ， France) 、 1991 年 (Wurzburg) 、 1994 年 (Berkeley ， California ， USA) 、 1997 年 (Montpellier ， France) 、 2000 年 (Albuquerque ， USA) 、 2003 年 (Washington D.C., USA) 召開。 國內(nèi)也早在上個世紀九十年代開始了關(guān)于氣凝膠的研究，并且針對氣凝膠的熱特性展開了詳細的研究，并申請了若干專利。但總的來說，由于氣凝膠昂貴的制備成本、材料本身難以克服的低強度、高脆性等缺點成為制約

8、其廣泛應(yīng)用的瓶頸，因此也成為今后各國科學家共同努力突破的關(guān)鍵。,第二部分,氣凝膠的性能與應(yīng)用,氣凝膠材料性能,SiO2氣凝膠：一種具有獨特的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)材料,可見，極低的折射率、熱導率、介電常數(shù)、高比表面積、對氣體的選擇透過等，它的力學、聲學、熱學、光學、電學性質(zhì)都明顯地不同于普通固態(tài)材料，是一種具有許多奇異性質(zhì)和廣泛應(yīng)用的輕質(zhì)納米多孔性材料。,氣凝膠產(chǎn)品可應(yīng)用領(lǐng)域,熱學領(lǐng)域,（1）低固態(tài)熱傳導： 纖細的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和極低的表觀密度產(chǎn)生“長路徑效應(yīng)”； （2）低氣體分子熱傳導和對流熱傳導： 孔洞尺寸比常壓下氣體分子的平均自由程（6070nm）小 ； （3）低輻射熱傳導： 氣凝膠的熱輻

9、射傳導主要為發(fā)生在3-5um 區(qū)域內(nèi)的紅外熱輻射，其在常溫下能夠有效的阻擋紅外熱輻射。,熱學領(lǐng)域,氣凝膠產(chǎn)品屬于高效防火隔熱材料，主要功能是節(jié)能、保溫、防火，可應(yīng)用于以下領(lǐng)域： 建筑節(jié)能領(lǐng)域：外墻保溫專用氣凝膠板材、氣凝膠玻璃、鋼結(jié)構(gòu)防火。 工業(yè)及民用領(lǐng)域：替代傳統(tǒng)的保溫材料對管道、爐窯及其他熱工設(shè)備、熱水器、冷藏設(shè)備等進行保溫，隔熱效果更好。 特殊應(yīng)用領(lǐng)域：用于海軍核潛艇，、飛機、大型海洋艦艇、船舶、客車的保溫。在航天工業(yè)和軍工導彈等方面都有廣闊的應(yīng)用前景。,14,其他民用領(lǐng)域,化工工業(yè),建筑工業(yè),石油工業(yè),運輸工業(yè),原油泄漏,航空航天,國防,熱學領(lǐng)域,高速飛行產(chǎn) 生大量熱量,4馬赫飛行 達

10、650,中、高超音速 長時間飛行導彈,超音速巡航導彈、 滑翔式戰(zhàn)略機動導彈 以及新型戰(zhàn)術(shù)導彈等,對隔熱材料 提出新需求： 輕質(zhì)、低熱導、耐高溫,高溫隔熱層 （外表面600650 ）,高溫隔熱層的封裝面,航空航天領(lǐng)域應(yīng)用,與傳統(tǒng)隔熱材料相比，SiO2氣凝膠隔熱材料可以用更輕的質(zhì)量、更小的體積達到更好的隔熱效果，這一特點在航空、航天應(yīng)用領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢。 在美國發(fā)射的火星探測器上,氣凝膠被用作保溫材料,來保證火星表面機器人的電子儀器設(shè)備的保溫。航天航空器上理想的隔熱層。英國“美洲豹”戰(zhàn)斗機的機艙隔熱層采用的是該材料。 美國NASA在“火星流浪者”的設(shè)計中,也用過硅質(zhì)氣凝膠材料作為保溫層,用來抵擋

11、火星夜晚-100以下的超低溫,航空航天領(lǐng)域應(yīng)用,航空航天領(lǐng)域應(yīng)用,派宇航員登陸火星預(yù)定于2018年進行 氣凝膠正用來為人類首次登陸火星時所穿的太空服研制一種保溫隔熱襯里 Aspen Aerogel公司的一位資深科學家馬克克拉耶夫斯基認為，一層18毫米的氣凝膠將足以保護宇航員抵御零下130度的低溫。他說：“它是我們所見過的最棒的絕熱材料。”,工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用,在石化行業(yè)、化工行業(yè)和冶金行業(yè)中，管道、爐窯及其它熱工設(shè)備普遍存在，用SiO2氣凝膠及其復(fù)合材料替代傳統(tǒng)的保溫材料對它們進行保溫，可以大大減少熱能損失，提高熱能利用率, 還可以用作液態(tài)天然氣罐和儲油罐等, 以及汽車，輪船，飛機等發(fā)動機，排氣管的

12、隔熱。,石化行業(yè)應(yīng)用,石化行業(yè)保溫應(yīng)用,石油管道截面積比較,21,1,2,3,4,5,6,安裝示意圖,22,暖氣管道保溫應(yīng)用,地下管道保溫應(yīng)用,汽車發(fā)動機保溫應(yīng)用,輪船發(fā)動機和排氣管保溫應(yīng)用,高速列車保溫應(yīng)用,儲油罐保溫應(yīng)用,建材和民用領(lǐng)域應(yīng)用,具有高度透光率并能有效阻止高溫熱輻射的SiO2氣凝膠可以用作太陽能集熱器及其它集熱裝置的保溫隔熱材料，大大提高其實用性。用熱導率極低的摻雜SiO2氣凝膠取代聚氨酯泡沫作為冰箱的隔熱材料. 還可以用作樓房建筑的保溫，隔音等。,28,因外墻保溫材料引發(fā)的火災(zāi)事故現(xiàn)場,南京中環(huán)廣場,上海教師公寓,濟南奧體中心,央視新址,建筑節(jié)能領(lǐng)域,地板保溫應(yīng)用,外墻保溫應(yīng)

13、用,氣凝膠外墻安裝示意圖,33,房屋隔熱效果對比,太陽能收集板上的應(yīng)用,34,具有高度透光率及低熱導率的氣凝膠對入射光幾乎沒有反射損失，能有效的透過太陽光，因此氣凝膠特別適合于用作太陽能集熱器及其它集熱裝置的保溫隔熱材料，當太陽光透過氣凝膠進入集熱器內(nèi)部，內(nèi)部系統(tǒng)將太陽光的光能轉(zhuǎn)化為熱能，氣凝膠又能有效阻止熱量流失。,運動器材公司鄧祿普(Dunlop)已經(jīng)研制出一系列用氣凝膠加固的壁球和網(wǎng)球球拍，據(jù)說這種球拍能釋放更大的力量 2001年，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第一位英國人。他說：“保溫效果大大改善了。我把自動調(diào)溫器調(diào)低了5度。這真

14、是一個不可思議的變化?！?2000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：“我唯一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?！?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。,日常生活應(yīng)用,聲學領(lǐng)域,由于硅氣凝膠的低聲速特性，它還是一種理想的聲學延遲或高溫隔音材料。該材料的聲阻抗可變范圍較大(103107 kgm2s)，是一種較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料 水聲反聲材料是指聲波由水中入射到材料層上能無損耗地全部反射出去的材料。在潛艇上構(gòu)成聲納設(shè)備聲學系統(tǒng)的材料中，

15、水聲反聲材料是非常重要的，它可以使聲納單方向工作，消除非探測方向來的假目標信號的干擾，同時隔離裝備體自身噪聲，提高聲納的信噪比和增益。特性阻抗與水的特性阻抗嚴重失配的材料可用作水聲反聲材料。常壓下空氣的密度和聲速都遠遠小于水的密度和聲速，空氣的特性阻抗將比水小得多，與水阻抗失配嚴重，因此含有大量空氣的材料可作為常壓水中的反聲材料。氣凝膠高孔隙率且超輕質(zhì)的特點使其成為最佳的水聲反聲材料，既具有良好的水聲反聲效果，又不增加潛艇的重量。,光學領(lǐng)域,純凈的SiO2氣凝膠是透明無色的，它的折射率（1.0061.06）非常接近于空氣的折射率，這意味著SiO2氣凝膠對入射光幾乎沒有反射損失，能有效地透過太陽

16、光。 SiO2氣凝膠可以被用來制作絕熱降噪玻璃。利用不同密度的SiO2氣凝膠膜對不同波長的光制備光耦合材料，可以得到高級的光增透膜。 SiO2氣凝膠的折射率和密度滿足n-12.110-4r/(kg/m3)，當通過控制制備條件獲得不同密度的SiO2氣凝膠時，它的折射率可在1.008-1.4 范圍內(nèi)變化，因此SiO2氣凝膠可作為切侖科夫探測器中的介質(zhì)材料，用來探測高能粒子的質(zhì)量和能量。,過濾與催化領(lǐng)域,超微粒子特定的表面結(jié)構(gòu)有利于活性組分的分散,從而可以對許多催化過程產(chǎn)生顯著的影響。氣凝膠是一種由納米粒子組成的固體材料，這種材料具有小粒徑、高比表面積和低密度等特點，這些特點使氣凝膠催化劑的活性和選

17、擇性均遠遠高于常規(guī)催化劑，而且活性組分可以非常均勻地分散于載體中，同時它還具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，可以有效的減少副反應(yīng)發(fā)生。因此氣凝膠作為催化劑，其活性、選擇性和壽命都可以得到大幅度地提高，具有非常良好的催化特性。,過濾與催化領(lǐng)域,-部分氧化 SiO2 、Pt/SiO2 、Cr2O3 、Fe2O3 等催化乙醛氧化為乙酸；NiO/Al2O3 、NiO/SiO/Al2O3 催化2甲基丙烷、丙烷、異丁烷氧化為丙酮；CuO/Al2O3 催化丁烷、1-丁烯氧化為呋喃等。 -過氧化 TiO2-SiO2復(fù)合氧化物氣凝膠是近年來發(fā)現(xiàn)的非常有效的烯烴過氧化催化劑。1-己烯、環(huán)己烯、降冰片烯等用TiO2-SiO2 氣

18、凝膠催化氧化為相應(yīng)的過氧化物。在催化環(huán)己烯醇的過氧化反應(yīng)中，10min 內(nèi)環(huán)己烯的轉(zhuǎn)化率達到90%。 -硝基化 PbO2-ZrO2 、NiO-Al2O3 、NiO-SiO2 、NiO2-SiO2 、NiO-MgO-Al2O3 、PbO-SiO2 、NiO-Fe2O3-Al2O3 等氣凝膠催化劑可以催化芳香族和脂肪族的碳氫化合物轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的硝基化物。 -氫化 Rh 負載于TiO-SiO2 氣凝膠上催化苯加氫為環(huán)己烷；Cu-Al2O3 氣凝膠催化環(huán)戊二烯加氫為環(huán)戊烯；Ni-SiO2 氣凝膠催化甲苯加氫為甲基環(huán)己烷；Pb-Al2O3 、Ni-Al2O3 、Ni-SiO2-Al2O3氣凝膠催化硝基苯加

19、氫為苯胺；Cu-ZrO2 、Cu-ZnO-ZrO2 、ZrO2 、Cu-Al2O3 、Zn-Al2O3 、Cu-ZnO-Al2O3 氣凝膠等催化CO2 加氫制甲醇等。Pajonk 等研究了CuO-Al2O3 氣凝膠催化環(huán)戊二烯選擇加氫至環(huán)戊烯,選擇性達到100% ，轉(zhuǎn)化率是所研究催化劑中最高的。 -氧化 Pd/SnO2 氣凝膠催化劑具有良好的CO 氧化活性。Pd/ TiO2-CeO2 氣凝膠催化劑在室溫下可使CO被100%氧化。Pt/ ZrO2-CeO2 氣凝膠催化劑用于汽車尾氣凈化，CO、NOX 、CH 化合物的轉(zhuǎn)化率都有明顯提高。 -異構(gòu)化 Nb2O5 、Nb2O5/SiO2 、ZrO2/

20、SiO2等氣凝膠催化劑催化12丁烯轉(zhuǎn)變?yōu)轫樆蚍?2丁烯。,吸附領(lǐng)域,由于氣凝膠由納米顆粒骨架構(gòu)成，具有高通透性的三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擁有很高的比表面積(6001200 m2g-1) 和孔隙率(高達90 %以上)，且孔洞又與外界相通，因此它具有非常良好的吸附特性，在氣體過濾器、吸附介質(zhì)方面有著很大的應(yīng)用價值。 對比疏水SiO2氣凝膠、活性炭纖維以及活性炭顆粒對吸附介質(zhì)為苯、甲苯、四氯化碳、乙醛的吸附性能測試結(jié)果，比較發(fā)現(xiàn)，SiO2氣凝膠的吸附性能較活性炭纖維(ACF) 和活性炭顆粒(GAC) 更為優(yōu)越。而且通過改性制備出的疏水SiO2氣凝膠，可以避免親水型活性炭在潮濕環(huán)境下吸附性能大幅降低這種缺陷

21、。同時若將SiO2氣凝膠進行第一次吸附脫附后，再次進行吸附研究，SiO2 氣凝膠可方便地經(jīng)由熱氣流脫附,再吸附容量基本不變，這就為循環(huán)利用創(chuàng)造了有利的條件。,捕獲高速粒子,硅氣凝膠是折射率可調(diào)的材料，使用不同密度的氣凝膠介質(zhì)作為切倫柯夫閥值探測器，可確定高能粒子的質(zhì)量和能量。 高速粒子很容易穿入多孔材料并逐步減速，實現(xiàn)“軟著陸”，如選用透明氣凝膠在空間捕獲高速粒子，可用肉眼或顯微鏡觀察被阻擋、捕獲的粒子。,彗星離子速度極高,一般的材料很難捕捉得到。而硅氣凝膠質(zhì)量較輕,透明度較好,可升入太空準確確定這些高速粒子的位置,且其表面積大、熱導率低對磁和紫外輻射的抵抗能力強,不受其它粒子的腐蝕,在太空中

22、是不可替代的首選材料。目前在“開創(chuàng)火星”任務(wù)中使用的就是硅氣凝膠,而且收集氣凝膠顆粒可用于保護太空鏡。,星塵號探測器攜帶的氣凝膠所捕捉到的彗星塵埃,NASA的彗星灰塵俘獲器，裝置了氣凝膠,捕獲高速粒子,電學領(lǐng)域,氣凝膠具有低介電常數(shù)（1e2），而且可通過改變其密度調(diào)節(jié)介電常數(shù)值。隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，對集成電路運算速度的要求越來越高。一般而言，所用襯底材料的介電常數(shù)越低，則運算速度越快?，F(xiàn)在集成電路所用的襯底材料為Al2O3，其介電常數(shù)為10，目前的趨勢是使用聚酰亞胺（e3）或其它高聚物介電材料替代Al2O3，然而，高聚物的熱膨脹系數(shù)較高，容易引起應(yīng)力以及變形。氣凝膠具有一些更優(yōu)越的特性，其介電常數(shù)值很低且可以調(diào)節(jié)，其熱膨脹系數(shù)與硅材料相近因此應(yīng)力很小，而且相對聚酰亞胺它有良好的高溫穩(wěn)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。,分形特性,SiO2氣凝膠具有由納米顆粒組成的網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)，其密度的大小與標度尺寸有關(guān)。如果尺度足夠長，大于關(guān)聯(lián)長度x，氣凝膠可認為是均勻的，此時其密度為常數(shù)，對應(yīng)于宏觀密度。如果分析尺度減小到小于氣凝膠納米顆粒尺寸a的范圍，則得到的密度將等于骨架的密度，即致密SiO2的密度，遠遠大于宏觀密度。若尺度在x與a之間，SiO2氣