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2 他们使用 TMOS 方法
时间: 2021-01-29 07:05     作者: 威尼斯人app

  气凝胶——超级绝热保温材料_材料科学_工程科技_专业资料。气凝胶——超级绝热保温材料 气凝胶——改变世界的神奇材料 二氧化硅气凝胶又被称作“蓝烟”、“固体烟”,是目前已知的最轻的固体材 料,也是 3 迄今为保温性能最好的材料。因其具有纳米多孔结构(1~100

  气凝胶——超级绝热保温材料 气凝胶——改变世界的神奇材料 二氧化硅气凝胶又被称作“蓝烟”、“固体烟”,是目前已知的最轻的固体材 料,也是 3 迄今为保温性能最好的材料。因其具有纳米多孔结构(1~100nm)、低密度 (1,500kg/m)、低介电常数(1.1~2.5)、低导热系数(0.003~0.025 w/m?k)、高孔隙 率(80,,99 8,)、高比表 2 面积(200~1000m/g)等特点,在力学、声学、热学、光学等诸方面显示出独特 性质,在航天、军事、通讯、医用、建材、电子、冶金等众多领域有着广泛而巨大 的应用前景,被称为“改变世界的神奇材料”。 气凝胶的特性及应用 特性 应用 在所有固体材料中热导率最低,建筑节能材料, 热学 轻质, 保温隔热材料, 透明, 浇铸用模具等。 超低密度材料 密度 ICF 以及 X 光激光靶 3(最低可达 3kg/m) 高比表面积, 催化剂,吸附剂,缓释剂、离子交孔隙率 多组分。 换剂、传 感器等 低折射率, Cherenkov 探测器, 光学 透明, 光波导, 多组分, 低折射率光学材料及其它器件 声学 低声速 声耦合器件 低介电常数, 微电子行业中的介电材料, 电学 高介电强度, 电极,超级电 容器 高比表面积。 弹性, 高能吸收剂, 机械 轻质。 高速粒子捕获剂 气凝胶的发展 世界上第一个气凝胶产品是 1931 年制备出的。当时,美国加州太平洋大学 (College of the Pacific)的 Steven.S. Kistler 提出要证明一种具有相同尺寸的 连续网络结构的固体“凝胶”,其形状与湿凝胶一致。证明这种设想的简单方法, 是从湿凝胶中去除液体而不破坏固体形状。如按照通常的技术路线,很难做到这一 点。如果只是简单地让湿凝胶干燥,凝胶将会收缩,常常使原来的形状破坏,破裂 成小碎片。也就是说,这种收缩经常是伴随着凝胶的严重破裂。Kistler 推测:凝 胶的固体构成是多微孔的,液体蒸发时的液一气界面存在较大的表面张力,该表面 张力使孔道坍塌。此后,Kistler 发现了气凝胶制备的关键技术(Kistler, 1932)。 Kistler 研究的第一个凝胶是通过硅酸钠的酸性溶液浓缩制备的 SiO 凝胶。2 然而,他试图通过把凝胶中的水转变成超临界流体的方式来制备气凝胶却没有成 功。Kistler 再尝试首先用水充分洗涤二氧化硅凝胶(从凝胶中去掉盐),然后用乙 醇交换水,通过把乙醇变成超临界流体并使它跑掉,第一个真正的气凝胶形成了。 Kistler 的气凝胶与现在制备的二氧化硅气凝胶类似,是具有相当大的理论研究价 值的透明、低密度、多孔材料。在之后的几年时间里,Kistler 详尽地表征了他的 二氧化硅气凝胶的特性,并制备了许多有研究价值的其它物质的气凝胶材料,包 括:A10 , W0 , Fe0 , Sn0、酒石酸镍、纤维素、纤维素硝酸盐、233232 明胶、琼脂、蛋白、橡胶等气凝胶。 后来,Kistler 离开了太平洋大学,到 Monsanto 公司供职。Monsanto 公司 o 公司的产品是粒状的 Si0 材料,很快就开始生产商品化的气凝胶产品, Monsant2 虽然其生产工艺无人知晓,但人们推断应当是 Kistler 的方法。 Monsanto 公司的气凝胶当时是被用来作化妆品及牙膏中的添加剂或触变剂。在以 后的近 30 年中,有关气凝胶的研究几乎没有什么进展。直到 20 世纪 60 年代,随 着价格便宜的“烟雾状的(fumed)”Si0 的研制开发,气凝胶的市场开始萎缩, Monsanto2 公司停止了气凝胶的生产。 从此,气凝胶在很大程度上被人淡忘了。直到 20 世纪 70 年代后期,法国政府 向 Claud Bernard 大学的 Teichner 教授寻求一种能储存氧气及火箭燃料的多 孔材料。之后所发生的事情,在从事气凝胶研究的人员中有一种传说。 Teichner 让他的一个研究生来制备气凝胶并研究其应用,然而,使用 Kistler 的 方法,包括两个耗时、费力的溶剂萃取步骤,他们的第一个气凝胶花了数周时间才 制备出来。然后,Teichner 告诉这个学生,要完成他的学位论文,将需要大量的 气凝胶样品;该学生意识到,如按照 Kistler 的方法制备,这要花许多年才能完 成,他精神崩溃地离开了 Teichner 的实验室;经过一段短暂地休息、思考,他又回 到了实验室,有一种强烈的动机,激发他去寻找一种更好的 Si0 气凝胶的合成 2 工 艺。经过不懈地努力探索,该学生成功地应用溶胶一凝胶化学法制备出 Si02 气凝 胶,这使气凝胶科学研究前进了一大步。这种方法用正硅酸甲酷(TMOS)代替 Kistler 所使用的硅酸钠,在甲醇溶液中通过 TMOS 水解一步产生凝胶(称为“醇凝 胶”),这消除了 Kistler 方法中的两个缺点,即醇水替换步骤及凝胶中存在无机 盐,在超临界甲醇条件下干燥这些醇凝胶,就制备出高质量的 Si0 气凝 2 胶。后 来,Teichner 的研究组及其他人使这种方法扩展,制备了多种金属氧化物气凝胶 产品。 这项发现之后,随着加入到这个领域的研究人员的增加,气凝胶科学技术有了 快速发展。下面是一些著名的成果: (1)20 世纪 80 年代初期,粒子物理学家认识到 SiO 气凝胶将是制造切仑 2 科夫(Cherenkov)探测器的理想介质材料,试验需要大量的透明 SiO 气凝胶。2 他们使用 TMOS 方法,制造了两个大探测器:一个是在德国汉堡的 DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron)实验室的 TASSO 探测器,使用了 1700 升 SiO 气凝胶;另 一个是欧洲粒子物理研究所(CERN)制造的探测器,使用了 2 由瑞典兰德大学(University of Lund)制备的 1000 升 Si0 气凝胶。 2 (2)使用 TMOS 方法,制备 Si0 气凝胶块状材

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