氣凝膠是一種有著多孔網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的固態(tài)凝膠材料，其內(nèi)部孔隙中充滿(mǎn)空氣。美國(guó)Stanford University的Kistler教授用水玻璃通過(guò)溶膠一凝膠法在超臨界干燥條件下首次得到了二氧化硅氣凝膠。氣凝膠有很多種，其中SiO2氣凝膠最為常見(jiàn)，呈半透明淡藍(lán)色，質(zhì)量超輕類(lèi)似“固態(tài)的煙”。SiO2氣凝膠作為多孔材料的典型，內(nèi)部大部分空間被空氣(或其它氣體)填充，其骨架的體積僅占總體積的0.15％～15％。氣凝膠的平均孔徑約25nm，空氣分子(自由程50~70nm)在其間無(wú)法自由運(yùn)動(dòng)；另外，氣凝膠骨架內(nèi)部有許多“死胡同"般大小不一的閉孔，這增加了氣凝膠固體熱傳輸?shù)穆窂?，因此氣凝膠是熱的不良導(dǎo)體。
SiO2氣凝膠的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性質(zhì)
SiO2氣凝膠具有多孔結(jié)構(gòu)，直徑為3～8nm左右的初級(jí)粒子相互團(tuán)簇構(gòu)成。其骨架是由結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。圖中箭頭標(biāo)示了一條熱量傳導(dǎo)路徑，可這種三維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)了熱流的傳導(dǎo)路徑，進(jìn)而使熱阻增大。
圖1-1氣凝膠結(jié)構(gòu)示意圖
SiO2氣凝膠獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)使它具備了一系列超凡的性質(zhì)，見(jiàn)表1-1中
表1-1氣凝膠物性參數(shù)
氣凝膠材料應(yīng)用實(shí)例
1、保溫材料(熱絕緣體)
(1)管路保溫、易揮發(fā)或易燃物質(zhì)儲(chǔ)運(yùn)方面。氣凝膠材料最廣泛的應(yīng)用是在爐體管線(xiàn)保溫、熱力廠(chǎng)管線(xiàn)保溫、液化天然氣儲(chǔ)罐等領(lǐng)域。如圖1-2所示。
圖1-2氣凝膠材料在工業(yè)中保溫的應(yīng)用
(2)紡織品、服裝保暖
在二十世紀(jì)初期，氣凝膠毯開(kāi)始出現(xiàn)。美國(guó)阿斯彭公司曾將氣凝膠與織物復(fù)合后制備了名為SpacelofI的毯狀氣凝膠產(chǎn)品；2010年左右，雨果公司成功推出了一款氣凝膠夾克并成功上市；登山愛(ài)好者使用氣凝膠鞋墊和睡袋(內(nèi)襯材料)后也給予了其極高的評(píng)價(jià)。氣凝膠材料做成的衣服見(jiàn)圖1-3。
圖1-3氣凝膠材料做成的衣服
(3)房屋建材、冰箱等方面。氣凝膠材料可用在房屋的房頂或者玻璃上用來(lái)隔熱，如圖1-4。氣凝膠玻璃的導(dǎo)熱能力極小，可起到很好的節(jié)能作用。另外，當(dāng)前使用的氟制冷冰箱或聚氨酯泡沫塑料會(huì)產(chǎn)生破壞臭氧層的化學(xué)物質(zhì)，因此氣凝膠的使用也會(huì)更加環(huán)保。
圖1-4氣凝膠房子模型及其玻璃結(jié)構(gòu)示意圖
2、航空航天領(lǐng)域
氣凝膠材料也廣泛的應(yīng)用在航空航天方面，如火星探測(cè)器、海軍潛水服、宇航服等。
3、氣凝膠在其他領(lǐng)域的應(yīng)用
氣凝膠的吸附性可用來(lái)制造防毒面具或用來(lái)治理油體泄露帶來(lái)的污染，還用在過(guò)濾器、燃料儲(chǔ)存等方面。此外，氣凝膠還能作為模板材料。