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超级隔热保温材料———气凝胶

摘要：气凝胶是一种世界上最轻的固体，可以经受住1公斤炸药的爆炸威力，让你远离1300摄氏度以上喷灯的高温。从下一代网球球拍到执行火星探险任务的宇航员所穿的超级隔热太空服，科学家们正在努力探索这种物质的新用途。它有望和前几代神奇产品，比如20世纪30年代的酚醛树脂、20世纪80年代的碳纤维和90年代的硅树脂相媲美。科学家表示气凝胶未来可能将改变世界。本文将重点讲述气凝胶的独特性能以及在隔热保温等领域的突出应用，加深对气凝胶的进一步了解。

关键词：隔热保温坚固轻盈耐高温吸附性

一、气凝胶的定义与由来
气凝胶俗称“冷冻烟雾”，将硅胶中的水提取出来，然后用诸如二氧化碳之类的气体取代水的方法制成的。得到的这种物质有很好的隔热能力，还能吸收象原油一样的污染物。它由一位美国化学家于1931年在打赌时发明出来，但早期的气凝胶非常易碎和昂贵，所以主要在实验室里使用。直到10年前美国宇航局开始对这种物质感兴趣，并让其发挥更为实际的用途，这种材料终于走出了实验室。

二、气凝胶的特性
1、坚固性：能经受住1公斤炸药爆炸产生的冲击力。
2、耐高温：足以抵挡住高达1300摄氏度喷灯产生的热量。
3、隔热保温：18毫米的气凝胶将足以保护宇航员抵御零下130度的低温。
4、轻盈性：气凝胶属于一种固体，但这种物质99%是由气体构成，密度仅为每立方厘米３毫克（每升３克），是玻璃的千分之一．比空气重三倍，是世界上密度最小的固体之一，也被叫做“冻结的烟”或“蓝烟”。
5、吸附性：气凝胶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。

气凝胶的加工与制作
气凝胶的加工与制作是极其复杂的，运用了超临界干燥技术，将原本是液态的溶液通过化学反应转变成由99%气体组成起凝胶状固体。

气凝胶的研究领域
1、分子结构的研究：是一种结构可控的纳米多孔材料，其表现密度明显依赖于标度尺寸，在一定尺度范围内，其密度往往具有标度不变性，即密度随尺度的增加而下降，而且具有自相似结构，在气凝胶分形结构动力学研究方面的结构还表明，在不同尺度范围内，有三个色散关系明显不同的激发区域，分别对应于声子、分形子和粒子模的激发。改变气凝胶的制备条件，可使其关联长度在两个量级的范围内变化。因此硅气凝胶已成为研究分形结构及其动力学行为的最佳材料。
2、隔热方面的研究：硅气凝胶纤细的纳米网络结构有效地限制了局域热激发的传播，其固态热导率比相应的玻璃态材料低2—3个数量级。纳米微孔洞抑制了气体分子对热传导的贡献。通过掺杂的手段，可进一步降低硅气凝胶的辐射热传导，常温常压下掺碳气凝胶的热导率可低达0．013w/m·K，是目前热导率最低的固态材料，可望替代聚氨脂泡沫成为新型冰箱隔热材料。掺人二氧化钛可使硅气凝胶成为新型高温隔热材料，800K时的热导率仅为0．03w/m·K，作为军品配套新材料将得到进一步发展。
3、储能器件方面的研究：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(600—1000m2/kg)和高电导率(10—25s/cm)，密度变化范围广(0.05—1.0g/cm3)．如在其微孔洞内充人适当的电解液，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，初步实验结果表明：碳气凝胶的充电容量达3×104/kg2，功率密度为7kw/kg，反复充放电性能良好。
4、材料的量子尺寸效应研究方面：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。通过掺杂的方法还是形成纳米复合相材料的有效手段，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。
5、其他方面研究：作为一种新型纳米多孔材料，除硅气凝胶外，已研制的还有其它单元、二元或多元氧化物气凝胶、有机气凝胶及碳气凝胶。作为一种独特的材料制备手段，相关的工艺在其它新材料研制中得到广泛应用，如制备气孔率极高的多孔硅、制备高性能催化剂的金属—气凝胶混合材料、高温超导材料、超细陶瓷粉末等。

气凝胶的应用
1、制作火星探险宇航服：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
2、太空探索领域应用：1999年，美国宇航局给其“星尘”（Stardust）号探测器装备了一种塞满气凝胶的棒球手套，用于捕捉彗星尾部的尘埃。