气凝胶（人造发泡物质）

气凝胶

人造发泡物质

气凝胶是世界上已知密度最低的人造发泡物质。气凝胶借由临界干燥法将凝胶里的液体成分抽出。这种方法会令液体缓慢地被脱出，但不至于使凝胶里的固体结构因为伴随的毛细作用被挤压破碎。最早由美国科学工作者Kistler在1931年制得。气凝胶的种类很多，有硅系，碳系，硫系，金属氧化物系，金属系等。气凝胶拥有诸多优异特性，其中热学方面特性最受人们重视，也是最具产业化价值的，被誉为超级隔热材料，其隔热保温上的应用形式，主要为气凝胶毡、气凝胶板等。

简介

气凝胶是一种固体物质形态，世界上密度最小的固体之一。一般常见的气凝胶为硅气凝胶，但也有碳气凝胶存在。

因为密度极低，目前最轻的硅气凝胶仅有3mg/cm，比空气重三倍，所以也被叫做“冻结的烟”或“蓝烟”。由于里面的颗粒非常小（纳米量级），所以可见光经过它时散射较小（瑞利散射），就像阳光经过空气一样。因此，它也和天空一样看着发蓝，如果对着光看有点发红。由于气凝胶中99.8%以上是空气，所以有非常好的隔热效果，一寸厚的气凝胶相当20—30块普通玻璃的隔热功能。

气凝胶在航天探测上也有多种用途，在俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”的探测器上都有用到这种材料。气凝胶也在粒子物理实验中，使用来作为切连科夫效应的探测器。

特性

气凝胶因其半透明的色彩和超轻重量，有时也被称为“固态烟”或“冻住的烟”。这种新材料看似脆弱不堪，其实非常坚固耐用，最高能承受1400摄氏度的高温。它可以承受相当于自身质量几千倍的压力，此外它的导热性和折射率也很低，绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。

研究领域

在强激光研究方面，气凝胶纤细的纳米多孔网络结构、巨大的比表面积、结构介观尺度上可控，成为研制新型低密度靶的最佳候选材料。

在作为隔热材料方面，硅气凝胶的折射率接近1，而且对红外和可见光的湮灭系数之比达100以上，能有效地透过太阳光，并阻止环境温度的红外热辐射，成为一种理想的透明隔热材料，在太阳能利用和建筑物节能方面已经得到应用。通过掺杂的手段，可进一步降低硅气凝胶的辐射热传导。

由于硅气凝胶的低声速特性，它还是一种理想的声学延迟或高温隔音材料。

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，与其他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。由于该材料特别大的比表而积，气凝胶在作为新型催化剂或催化剂的载体方而亦有广阔的应用前景。

在储能器件方而，有机气凝胶经过烧结工艺处理后将得到碳气凝胶，这种导电的多孔材料是继纤维状活性碳以后发展起来的一种新型碳素材料，它具有很大的比表面积和高电导率。如在其微孔洞内充入适当的电解液，可以制成新型可充电电池，它具有储电容量大、内阻小、重量轻、充放电能力强、可多次重复使用等优异特性。

在材料的量子尺寸效应研究方面，由于硅气凝胶的纳米网络内形成量子点结构，化学气相渗透法掺Si及溶液法掺C60的结果表明，掺杂剂是以纳米晶粒的形式存在，并观察到很强的可见光发射，为多孔硅的量子限制效应发光提供了有力证据。利用硅气凝胶的结构以及C60的非线性光学效应，可进一步研制新型激光防护镜。

此外，硅气凝胶是折射率可调的材料，使用不同密度的气凝胶介质作为切伦柯夫阀值探测器，可确定高能粒子的质量和能量。因高速粒子很容易穿入多孔材料并逐步减速，实现“软着陆”，如选用透明气凝胶在空间捕获高速粒子，可用肉眼或显微镜观察被阻挡、捕获的粒子。

2012年9月，NASA的Glenn研究中心赋予了气凝胶的功能，比如超级隔热服，特殊过滤器，冰箱薄壁和超绝缘的建筑物等。新开发的材料具有很强的灵活性，坚固性，能够承受折叠，褶皱，破碎，踩压等各种极限测试，比传统气凝胶强500倍。

气凝胶不论是对国外还是国内都是一个崭新的领域。国内对于气凝胶开发与研究的机构，浙江纳诺科技有限公司成立于2004年4月；同济大学、清华大学、浙江大学；广东埃力生高新科技有限公司成立于2006年。国外有阿斯彭气凝胶公司成立于2002年，其主要业务同样是是应用气凝胶制造工业用隔热保温材料。

用途广泛

1、保温隔热

热学方面的优异特性是气凝胶最受人们重视、最具有产业化价值

，也是最能实现规模推广的性能。在稠油开采，需要保温的热蒸汽管线上，保温介质温度约350℃，相同的保温效果即保温层表面温度一致，气凝胶毡的厚度仅需传统保温材料硅酸铝的四分之一。（如右图所示）

2、航天应用

2002年，美国宇航局成立了一家公司，专门生产更结实更有韧性的气凝胶。美国宇航局现在已经确定，在2018年火星探险时，宇航员们将穿上用新型气凝胶制造的宇航服。该公司的资深科学家马克·克拉杰沃斯基说，只要在宇航服中加入一个18毫米厚的气凝胶层，那么它就能帮助宇航员扛住1300℃的高温和零下130℃的超低温。“这是我见过的最有效的恒温材料。”马克如是说。

气凝胶在航天中的应用远不止这些，美国国家宇航局的“星尘”号飞船正带着它在太空中执行一项十分重要的使命——收集彗星微粒。

3、防弹不怕被炸

防弹是新型气凝胶的第二个重要用途。美国宇航局的这家公司正在对用气凝胶建造的住所和军车进行测试。根据试验室的试验情况来看，如果在金属片上加一层厚约6毫米的气凝胶，那么，就算炸药直接炸中，对金属片也分毫无伤。

4、可处理生态灾难

环保是新型气凝胶的第三个重要作用。科学家们将气凝胶亲切地称为“超级海绵”，因为其表面有成百上千万的小孔，所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。美国科学家新发明的气凝胶现在居然能吸出水中的铅和水银。据这位科学家称，这种气凝胶是处理生态灾难的绝好材料。

5、网球拍击球能力更强

新型气凝胶也将步入我们每个人的未来日常生活。比如说美国的Dunlop体育器材公司已经成功研发了气凝胶制成的网球拍。这种网球拍据说击球的能力更强；今年年初，66岁的鲍博·斯托克成为第一个用气凝胶建房子的英国人：“保温加热的效果非常好，我将空调的温度下降了5℃，结果室内的温度仍然非常舒适。”登山者也对气凝胶的运用充满了希望。英国登山家安尼·帕尔门特去年登珠峰时所穿的鞋子就是用气凝胶制成的，他的睡袋里也有一层这种新材料。

安全性

气凝胶的安全性取决于其制造的物质成分。若其组成成分中含有致癌物质或毒素，那胶体也会因此具有致癌性以及毒性。目前以硅为基本材质的气凝胶还未发现具有致癌或含毒的性质。不过硅气凝胶会刺激人的眼睛、皮肤、呼吸道和消化系统，并且一旦接触会造成皮肤黏膜的干涩。因此建议当持着硅凝胶时最好配备着护目镜以及手套以避免受到伤害。

超轻

背景介绍

浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶。它刷新了目前世界上最轻材料的纪录，拥有高弹性和强吸油能力。这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度为每立方厘米0.16毫克，仅是空气密度的1/6。专家介绍，气凝胶是入选吉尼斯世界纪录的最轻的一类物质，因其内部有很多孔隙，充斥着空气，故而得名。

1931年，美国科学家用二氧化硅制得了最早的气凝胶，外号“凝固的烟”。2011年，美国HRL实验室、加州大学欧文分校和加州理工学院合作制备了一种镍构成的气凝胶，密度为0.9毫克/立方厘米，创下了当时最轻材料的纪录。把这种材料放在蒲公英花朵上，柔软的绒毛几乎没有变形。我国的石墨储备非常丰富，占全世界的2/3。科学研究人员一直在探索石墨高效利用的方法。“把石墨变成石墨烯（一种由碳原子构成的单层片状结构），其价值可以上升数千倍。”高超的课题组经过五六年的探索，制备出了一维的石墨烯纤维和二维的石墨烯薄膜。打算把石墨烯做成三维多孔材料来打破这美国科学家的纪录。

物体特性

制作简便，其形状、尺寸可任意调节。在世界已诞生的成果中，高超课题组制备的“碳海绵”仍是最轻纪录保持者。可达到0.16毫克/立方厘米，低于氦气的密度。约8立方厘米的“碳海绵”大规模制造成可能。科学家声称，气凝胶的基本制备原理是除去凝胶中的溶剂，让其保留完整的骨架。在以往制备气凝胶的案例中，科学家主要采用溶胶—凝胶法和模板导向法。前者可以批量合成，但是可控性差；后者能产生有序的结构，但依赖于模板的精细结构和尺寸，难以大量制备。高超课题组另辟蹊径，探索出无模板冷冻干燥法：将溶解了石墨烯和碳纳米管的水溶液在低温下冻干，便获得了“碳海绵”，并且可以任意调节形状，令生产过程更加便捷，也使这种超轻材料的大规模制造和应用成为可能。

性能优越，高弹性、强吸附，应用前景广阔。据专家介绍，“碳海绵”具备高弹性，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力，是迄今已报道的吸油力最高的材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而“碳海绵”的吸收量是250倍左右，最高可达900倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有机物的速度极快：每克这样的“碳海绵”每秒可以吸收68.8克有机物。20世纪，实验室正在对这一材料的吸附性能进行进一步的应用性研究。科研人员声称，“碳海绵”还可能成为理想的相变储能保温材料、催化载体、吸音材料以及高效复合材料。不过很难准确预计其应用领域与前景，还得依靠社会以及产业界的想象力，让这个新材料走出实验室，实现应用价值

参考资料

1.动力电池气凝胶特征及具体应用解析·跨越电子

2.气凝胶世界上密度最的固体·学习啦