气凝胶

1、简介

气凝胶，英文aerogel又称为干凝胶。当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状，这即为干凝胶，也称为气凝胶。

按其组分，可分为单组分气凝胶，如SiO2，Al2O3，TiO2，炭气凝胶（有机气凝胶炭化后得到）等；多组分气凝胶，如SiO2/Al2O3，SiO2/TiO2等。最典型的研究最多的气凝胶是单组份的SiO2气凝胶和炭气凝胶（有机气凝胶）。

气凝胶，英文aerogel又称为干凝胶。当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状，这即为干凝胶，也称为气凝胶。如下图所示。

图1气凝胶

按其组分，可分为单组分气凝胶，如SiO2，Al2O3，TiO2，炭气凝胶（有机气凝胶炭化后得到）等；多组分气凝胶，如SiO2/Al2O3，SiO2/TiO2等。最典型的研究最多的气凝胶是单组份的SiO2气凝胶和炭气凝胶（有机气凝胶）。

2、气凝胶的特点

(1)孔隙率很高，可高达99.8%；科学家们表示，因为它有数百万小孔和皱摺，所以如果把1立方厘米的气凝胶拆开，它会填满一个有足球场那么大的地方。它的小孔不仅能像一块海绵一样吸附污染物，还能充当气穴。研究人员认为，一些形式的由铂金制成的气凝胶能用于加速水解及氢的产生。这样的话，气凝胶就能用来生产以氢为基础的燃料。

(2)纳米级别孔洞(~20nm)和三维纳米骨架颗粒(2~5nm)； (3) 高比表面积，可高达1000m2/g； (4) 低密度，可低至0.003g/cm3。

(5) 气凝胶独特的结构决定了其具有极低的热导率，常温下可以低至0.013W/(m·K)，比空气的导热系数还低。下图为不同材料的导热系数对比图。

图2 气凝胶与传统材料导热系数对比图

(6) 强度低，脆性大，由于其比表面积和孔隙率很大，密度很低，导致其强度很低。如SiO2气凝胶杨氏模量不到10MPa，抗拉强度只有16KPa，断裂韧度只有0.8kPa·m1/2)孔隙率很高，可高达99.8%；科学家们表示，因为它有数百万小孔和皱摺，所以如果把1立方厘米的气凝胶拆开，它会填满一个有足球场那么大的地方。它的小孔不仅能像一块海绵一样吸附污染物，还能充当气穴。研究人员认为，一些形式的由铂金制成的气凝胶能用于加速水解及氢的产生。这样的话，气凝胶就能用来生产以氢为基础的燃料。

3、气凝胶应用

材料的热传导由气态传导、固态传导和热辐射传导决定。由于气凝胶材料具有纳米多孔结构,因此常压下气态热导率λg很小,真空下热传导由固态传导和热辐射传导决定。同玻璃态材料相比,纳米多孔材料由于高孔隙限制了稀疏骨架中链的局部激发的传播,使得固态热导率λs仅为非多孔玻璃态材料热导率的1/500左右。Nilsson等检测室温下气凝胶热导率为

0.013~0.016W/(m·K),静态空气的热导率为0.024W/(m·K),即使在800℃的高温下其导热系数才为0.043W/(m·K),是目前隔热性能最好的固态材料。

（1）太阳能热水器

太阳能热水器及其他集热装置的高效保温成了能否进一步提高太阳能装置的能源利用率和进一步提高其实用性的关键因素。将纳米孔超级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。

（2）在热电池上应用

可延长热电池的工作寿命,防止生成的热影响热电池周围的元器件。 （3）军事及航天领域

与传统绝热材料相比，纳米孔气凝胶超级绝热材料可以用更轻的质量、更小的体积达到等效的隔热效果。这一特点使其在航空、航天应用领域具有举足轻重的优势。如果用作航空发动机的隔热材料，既起到了极好的隔热作用，又减轻了发动机的重量。作为外太空探险工具和交通工具上的超级绝热材料也有很好的应用前景。

（4）工业及建筑绝热领域

在工业及民用领域纳米孔超级绝热材料有着广泛和极具潜力的应用价值。首先,在电力、石化、化工、冶金、建材行业以及其他工业领域，热工设备普遍存在。工业节能中,纳米孔超级绝热材料也起着非常重要的作用,其中有些特殊的部位和环境，由于受重量、体积或空间的限制,急需高效的超级绝热材料。

4、研究现状

目前，美国、日本、欧洲诸多国家以及美国的Nanopore公司、Aerojet公司以及德国的BASF公司、Hoechst公司也正在开展气凝胶的商业应用研究。

2002年，美国宇航局创立的阿斯彭气凝胶(Aspen Aerogel)公司生产了一种更坚固、更柔韧的气凝胶。现在它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，派宇航员登陆火星预定于2018年进行。该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。他说：“它是我们所见过的最棒的

绝热材料。”

我国同济大学波耳固体物理研究所于90年代初在国内率先开展了气凝胶的研究工作，经过近8年的努力，已在SiO2气凝胶、TiO2气凝胶、有机气凝胶、碳气凝胶、多组分气凝胶、超低密度气凝胶以及多种掺杂气凝胶的制备、结构控制、性能测试及其应用方面积累了较为丰富的经验。此外，中科院物理与化学所、清华大学、山西煤化所、南京大学、中国科学技术大学、国防科技大学、武汉大学、大连理工大学等也于近期开展了气凝胶方面的研究工作。

国内研究存在的问题：（1）国内的生产工艺还很简陋（美国生产的气凝胶每升的重量只有3克，就是说，每立方米只有3公斤，每50-60立方米的重量也只有150公斤，与1000公斤还是相差比较大）；（2）工艺是控制材料质量的唯一途径。国内开展纳米材料之所以比较困难，就是工艺达不到要求。

国内将气凝胶商业化的企业有一下几家，主要的产品都气凝胶绝热毡、气凝胶绝热板、气凝胶粉体颗粒、新型绝热板等，主要的应用领域包括，化工行业的高温隔热节能；工业锅炉、热处理炉、实验炉、各种热力管道的保温节能；建筑领域和交通运输等领域。目前，还没有将此类产品应用到外墙保温

中。

(1)、广东埃力生高新科技有限公司

主营：

隔热保温材料，气凝胶，气凝胶复合材料，气凝胶毡，气凝胶板，气凝胶隔热保温材料等 主要产品：

隔热保温材料—气凝胶绝热板