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氣凝膠是一種固體物質,世界上密度小的固體。密度為3千克每立方米。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠,其早由美國科學工作者Kistler在1931年因與其友打賭制得。氣凝膠的種類很多,有硅系,碳系,硫系,金屬氧化物系,金屬系等等。aerogel是個組合詞,此處aero是形容詞,表示飛行的,gel顯然是凝膠。字面意思是可以飛行的凝膠。任何物質的gel只要可以經干燥后除去內部溶劑后,又可基本保持其形狀不變,且產物高孔隙率、低密度,則皆可以稱之為氣凝膠。
因為密度低,輕的氣凝膠僅有0.16毫克每立方厘米,比空氣密度略低,所以也被叫做“凍結的煙”或“藍煙”。由于里面的顆粒非常小(納米量級),所以可見光經過它時散射較小(瑞利散射),就像陽光經過空氣一樣。因此,它也和天空一樣看著發藍(如果里面沒有摻雜其它東西),如果對著光看有點發紅。(天空是藍色的,而傍晚的天空是紅色的)。由于氣凝膠中一般80%以上是空氣,所以有非常好的隔熱效果,一寸厚的氣凝膠相當20至30塊普通玻璃的隔熱功能。即使把氣凝膠放在玫瑰與火焰之間,玫瑰也會絲毫無損。氣凝膠在航天探測上也有多種用途,在俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”的探測器上都有用到這種材料。氣凝膠也在粒子物理實驗中,使用來作為切連科夫效應的探測器。位在高能加速器研究機構B介子工廠的Belle 實驗探測器中一個稱為氣凝膠 (Aerogel Cherenkov Counter, ACC) 的鑒別器,就是一個新的應用實例。這個探測器利用的氣凝膠的介于液體與氣體之低折射系數特性,還有其高透光度與固態的性質,優于傳統使用低溫液體或是高壓空氣的作法。同時,其輕量的性質也是優點之一。?[1]?
氣凝膠,作為世界輕的固體,已入選吉尼斯世界紀錄。這種新材料密度僅為3.55千克每立方米,僅為空氣密度的2.75倍;干燥的松木密度(500千克每立方米)是它的140倍。這種物質看上去像凝固的煙,但它的成分與玻璃相似。由于它的密度小,用于航空航天方面非常合適。
美宇航局噴氣推進實驗室,該實驗室瓊斯博士研制出的新型氣凝膠,主要由純二氧化硅等組成。在制作過程中,液態硅化合物首先與能快速蒸發的液體溶劑混合,形成凝膠,然后將凝膠放在一種類似加壓蒸煮器的儀器中干燥,并經過加熱和降壓,形成多孔海綿狀結構。瓊斯博士終獲得的氣凝膠中空氣比例占到了99.8%。
氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量,有時也被稱為“固態煙”或“凍住的煙”。這種新材料看似脆弱不堪,其實非常堅固耐用,高能承受1400攝氏度的高溫。氣凝膠的這些特性在航天探測上有多種用途。俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器上,都用到了氣凝膠材料。
美國國家宇航局研制出的一種新型氣凝膠,由于密度只有每立方厘米3毫克,日前已經作為“世界上密度低的固體”正式入選《吉尼斯世界紀錄》。
這種氣凝膠呈半透明淡藍色,重量輕,因此人們也把它稱為“固態煙”。新型氣凝膠是由美國國家宇航局下屬的“噴氣推進實驗室”材料科學家史蒂芬·瓊斯博士研制的。它的主要成分和玻璃一樣也是二氧化硅,但因為它99.8%都是空氣,所以密度只有玻璃的千分之一。
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,絕緣能力比好的玻璃纖維還要強39倍。由于具備這些特性,氣凝膠便成為航天探測中不可替代的材料,俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器都用它來進行熱絕緣。
氣凝膠在航天中的應用遠不止這些,美國國家宇航局的“星塵”號飛船正帶著它在太空中執行一項十分重要的使命———收集彗星微粒。科學家認為,彗星微粒中包含著太陽系中原始、古老的物質,研究它可以幫助人類更清楚地了解太陽和行星的歷史。2006年,“星塵”號飛船將帶著人類獲得的第一批彗星星塵樣品返回地球。
但收集彗星星塵并不是件容易的事,它的速度相當于步槍子彈的6倍,盡管體積比沙粒還要小,可是當它以如此高速接觸其它物質時,自身的物理和化學組成都有可能發生改變,甚至被蒸發。如今科學家有了氣凝膠,這個問題就變得很簡單了。它就像一個柔軟的棒球手套,可以輕輕地消減彗星星塵的速度,使它在滑行一段相當于自身長度200倍的距離后慢慢停下來。在進入“氣凝膠手套”后,星塵會留下一段胡蘿卜狀的軌跡,由于氣凝膠幾乎是透明的,科學家可以按照軌跡輕松地找到這些微粒。
氣凝膠初是由S.Kistler命名,由于他采用超臨界干燥方法成功制備了二氧化硅氣凝膠,故將氣凝膠定義為:濕凝膠經超臨界干燥所得到的材料,稱之為氣凝膠。在90年代中后期,隨著常壓干燥技術的出現和發展,90年代中后期普遍接受的氣凝膠的定義是:不論采用何種干燥方法,只要是將濕凝膠中的液體被氣體所取代,同時凝膠的網絡結構基本保留不變,這樣所得的材料都稱為氣凝膠。氣凝膠的結構特征是擁有高通透性的圓筒形多分枝納米多孔三位網絡結構,擁有高孔洞率、低的密度、高比表面積、超高孔體積率,其體密度在0.003-0.500 g/cm-3范圍內可調。(空氣的密度為0.00129 g/cm-3)。
氣凝膠的制備通常由溶膠凝膠過程和超臨界干燥處理構成。在溶膠凝膠過程中,通過控制溶液的水解和縮聚反應條件,在溶體內形成不同結構的納米團簇,團簇之間的相互粘連形成凝膠體,而在凝膠體的固態骨架周圍則充滿化學反應后剩余的液態試劑。為了防止凝膠干燥過程中微孔洞內的表面張力導致材料結構的破壞,采用超臨界干燥工藝處理,把凝膠置于壓力容器中加溫升壓,使凝膠內的液體發生相變成超臨界態的流體,氣液界面消失,表面張力不復存在,此時將這種超臨界流體從壓力容器中釋放,即可得到多孔、無序、具有納米量級連續網絡結構的低密度氣凝膠材料。
氣凝膠氈具有柔軟﹑易裁剪﹑密度小、無機防火﹑整體疏水、綠色環保等特性,其可替代玻璃纖維制品、石棉保溫氈、硅酸鹽纖維制品等不環保、保溫性能差的傳統柔性保溫材料。
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