气凝胶 ── 一种结构可控的新型功能材料
摘要:气凝胶是一种结构可控的新型轻质纳米多孔性非晶固态材料，由于它特有的纳米多孔、三维网络结构，气凝胶具有许多独特的性能，尤其表现在高孔隙率、低密度、低热导率等方面，研究领域广泛,因而蕴藏着广阔的应用前景。

关键词：气凝胶；性质；研究领域；应用；结构控制
气凝胶简介：
气凝胶是世界上已知密度最低的人造发泡物质,是一种固体物质形态，世界上密度最小的固体之一。

气凝胶问世于1931年，由斯坦福大学S.S.Kistler 利用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。

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。

用途广泛。

一般常见的气凝胶为硅气凝胶，但也有碳气凝胶存在。

目前最轻的气凝胶是由浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出的一种超轻气凝胶。

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。

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。

硅气凝胶结构的形成:
硅气凝胶是典型的无机气凝胶之一,制备硅气凝胶的第一步是在TMOS(硅酸甲酯)或TEOS(硅酸乙酯)等有机硅中加入适量水和催化剂,使之发生水解反应
)1()(4)(424ROH OH S O H OR Si i +→+
式中R 为烷基,水解生成的硅酸再脱水缩聚,即
O H OH OS S OH H S i i i 234)()()0(2+→(2)
生成以≡Si—O—Si≡为主体的聚合物并形成网络构成凝胶。

缩聚反应开始前水解并不需要反应完全,部分水解的有机硅即可产生缩聚反应,同时,已经缩聚的硅氧链上未水解的部分可以继续水解。

水解和缩聚的反应速率是控制凝胶结构的重要因素。

在pH=2～5范围内水解速率较快,体系中存在大量硅酸单体,有利于成核反应,因而形成较多的核,但尺寸都较小,最终将形成聚合物状、弱交联、低密度网络的凝胶；在碱性条件下,缩聚反应速率较快,硅酸单体一经生成即迅速缩聚,因而体系中单体浓度相对较低,不利于成核反应,而利于核的长大及交联,易形成致密的胶体颗粒,最终得到颗粒聚集形成的胶粒状凝胶。

强碱性或高温条件下Si—O键形成的可逆性增加,即氧化硅的溶解度增大,使最终凝胶结构受热力学控制,在表面张力作用下形成由表面光滑的微球构成的胶粒聚集体。

研究领域：
1．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。

2．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。

3．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。

4．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。

5．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。

6．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。

7．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。

性质及应用范围：
1．热学性质与航天应用
气凝胶是一种轻质纳米多孔材料，其纤细的纳米多孔网络结构使其能够有效限制固态热传导和气态热传导；并且由于材料内部大部分气孔尺寸小于50nm，可以消除大部分热对流从而使对流传热大幅度降低。

室温常压下粉末气凝胶热导率低于0.02W/mK；块状气凝胶的热导率低于0.014W/mK，比静止的空气(0.022W/mK)绝热性能好，与当前使用的泡沫保温材料如聚氨酯(0.03W/mK) 也低得多，气凝胶的固态热导率比相应的玻璃态材料低2－3个数量级，可见气凝胶具有优异的绝热性能，是纳米孔超级绝热材料（在预定的使用条件下, 其导热系数低于“无对流空气”导热系数的绝热材料）的纳米孔载体。

目前，人们用粉末、块状或颗粒状气凝胶替代由弗里昂发制的聚氨酯泡沫作为绝热材料。

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。

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。

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。

2.光学性质与高能物理中的应用
许多气凝胶能够制成透明或半透明材料，如硅气凝胶。

气凝胶的折射率接近于1，对入射光几乎没有反射损失，能有效透过太阳光，并阻止环境的热红外辐射。

国外之所以把硅气凝胶称为“冻烟”，是因为硅气凝胶对透射光的红化现象及折射光呈现蓝色。

人们利用气凝胶介质此特性，最早用于切仑可夫探测器，与高压气体相比，其操作更简单且安全。

超低密度的气凝胶已经被用作轻质反射器背衬材料。

3.吸附性能与处理生态灾难
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。

结语：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。

另外气凝胶结构控制手段不完善和生产成本高是限制气凝胶商业化生产及应用的重要因素,因此,应进一步深入研究气凝胶结构控制机理,改善气凝胶孔结构及结构单元尺寸的均匀性并提高凝胶机械强度以适应不同的高科技要求。

参考文献：
百科百度
华中科技大学硕士学位论文
长城网资讯十点钟第二八三期
大连理工大学炭资源综合利用开放实验室.辽宁大连116012。