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氣凝膠簡介

 

         氣凝膠是一種固體物質形態,具備該形態的物質特性在于具有納米多孔結構。因成分不同,一般常見的有二氧化硅氣凝膠、氧化鋁氣凝膠、氧化鋯氣凝膠和碳氣凝膠等。目前,二氧化硅氣凝膠的絕熱性能最為引人注目,技術也最為成熟,國內外氣凝膠的產業化發展大多圍繞二氧化硅氣凝膠絕熱應用展開,下文我們也重點針對二氧化硅氣凝膠展開論述。

        二氧化硅氣凝膠又被稱作“藍煙”、“固體煙”,是目前已知的密度最小、質量最輕的固體材料,也是迄今為止保溫性能最好的材料。因其具有納米多孔結構(1~100nm)、低密度(3~250kg/m3)、低介電常數(1.1~2.5)、低導熱系數(0.013~0.025W/(m·k))、高孔隙率(80~99.8%)、高比表面積(500~1000m2/g)等特點,在力學、聲學、熱學、光學等諸方面顯示出獨特性質,氣凝膠貌似“弱不禁風”,其實非常堅固耐用。它可以承受相當于自身質量幾千倍的壓力,在溫度達到1200攝氏度時才會熔化。此外它的導熱性和折射率也很低,絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。在航天、軍事、石油、化工、礦產、通訊、醫用、建材、電子、冶金等眾多領域有著廣泛而巨大的應用價值,被稱為“改變世界的神奇材料”。

 

基本特

       1.熱學特性

       氣凝膠的納米多孔結構使它具有極佳的絕熱性能,其熱導率甚至比空氣還要低很多,空氣在常溫真空狀態下的熱導率為0.026W/(m·k),而氣凝膠在常溫常壓下的熱導率一般小于0.015W/(m·k),在抽真空的狀態下,熱導率可低至0.004W/(m·k)。

 

       2.聲學特性

       氣凝膠內部充滿了兩端開放并與表面相通的納米孔,其高達1000m2/g的比表面積說明了其中包含孔的數量之多,因此聲音在其中傳播時,聲能將被其大量存在的孔壁大大消耗,這使得氣凝膠具有比普通多孔材料高數十倍的吸聲效果。

       另外由于氣凝膠的密度可以通過改變制備條件對其進行控制,因此使得聲阻亦可調。這一特性使得氣凝膠可作為聲阻耦合材料,如作為壓電陶瓷與空氣的聲阻耦合材料。壓電陶瓷具有極高的聲阻,空氣則具有極低的聲阻,阻抗在二者之間某個值的材料能夠匹配聲學阻抗。用SiO2氣凝膠耦合高聲阻的壓電陶瓷和低聲阻的空氣,Krauss等報道這一耦合結果使聲強提高43.5dB。

 

3.催化特性

超微粒子特定的表面結構有利于活性組分的分散,從而可以對許多催化過程產生顯著的影響。氣凝膠是一種由納米粒子組成的固體材料,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擇性均遠遠高于常規催化劑,而且活性組分可以非常均勻地分散于載體中,同時它還具有優良的熱穩定性,可以有效的減少副反應發生。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。                                            

4.吸附特性                                                                                                                      由于氣凝膠由納米顆粒骨架構成,具有高通透性的三維納米網絡結構,擁有很高的比表面積(6001200 m2/g 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、吸附介質方面有著很大的應用價值。

5.光學特性                                                                                                                       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,能有效地透過太陽光。因此,SiO2氣凝膠能夠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。                                          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范圍內變化,因此SiO2氣凝膠可作為切侖科夫探測器中的介質材料,用來探測高能粒子的質量和能量。

6.電學特性                                                                                                                                                                                                                     氣凝膠具有低介電常數(1<e<2),而且可通過改變其密度調節介電常數值。隨著微電子工業的迅速發展,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越低,則運算速度越快。現在集成電路所用的襯底材料為Al2O3,其介電常數為10,目前的趨勢是使用聚酰亞胺或其它高聚物介電材料替代Al2O3,然而,高聚物的熱膨脹系數較高,容易引起應力以及變形。氣凝膠具有一些更優越的特性,其介電常數值很低且可以調節,其熱膨脹系數與硅材料相近因此應力很小,而且相對聚酰亞胺它有良好的高溫穩定性。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。

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