中國(guó)粉體網(wǎng)訊 氣凝膠材料是一種納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)固體材料，具有孔隙率高、比表面積大、密度超低、熱導(dǎo)系數(shù)低等特質(zhì)，總結(jié)起來就是超輕、超強(qiáng)、超級(jí)絕熱，故其用途非常廣泛，在催化、保溫隔熱等領(lǐng)域被稱為神奇材料。
尤其是在絕熱保溫領(lǐng)域，室溫導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.013w/(m·k)，堪稱是最頂級(jí)的絕熱材料，用一句“yyds”評(píng)價(jià)毫不為過（yyds，當(dāng)下很火的網(wǎng)絡(luò)用語(yǔ)，永遠(yuǎn)的神拼音簡(jiǎn)稱，意為非常厲害，氣凝膠作為當(dāng)下乃至將來最頂級(jí)的絕熱材料當(dāng)仁不讓）。
大到航天材料，宇航服消防隔熱服；小到保溫杯、汽車隔音隔熱、港口漏油吸油污，非常寬泛的使用領(lǐng)域讓氣凝膠在絕熱材料市場(chǎng)受到業(yè)界高度關(guān)注。
氣凝膠的絕熱特性
1992年，美國(guó)學(xué)者HUNTAJ提出了超級(jí)絕熱材料的概念，是在預(yù)定的使用條件下，其導(dǎo)熱系數(shù)低于“無對(duì)流空氣”導(dǎo)熱系數(shù)的一種絕熱材料。它具有以下特征：
1）幾乎所有孔隙特征尺寸在100nm以下，80%以上氣孔尺寸在50nm以下；
2）極低的體積密度；
3）在預(yù)定使用條件下具有比“無對(duì)流空氣”更低的導(dǎo)熱系數(shù)；
4）具有較好的耐高溫性能。
氣凝膠性質(zhì)及特點(diǎn)
幾種常見保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)
根據(jù)以上特征，氣凝膠是一種很好的超級(jí)絕熱材料。
氣凝膠隔熱材料隔熱機(jī)理
氣凝膠復(fù)合材料的傳熱量計(jì)算公式為：
式中：
Qg——?dú)怏w分子導(dǎo)熱量，J；
Qc——?dú)怏w對(duì)流換熱量，J；
Qs——固體骨架導(dǎo)熱量，J；
Qr——?dú)怏w輻射換熱量，J。
對(duì)應(yīng)的熱導(dǎo)率：
式中：
kg——?dú)怏w分子熱導(dǎo)率；
kc——?dú)怏w對(duì)流熱導(dǎo)率；
ks——固相熱導(dǎo)率；
kr——?dú)怏w輻射熱導(dǎo)率。
1）根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)及碰撞理論，氣體熱量傳遞主要通過高溫側(cè)的高速度分子與低溫側(cè)的低速度分子碰撞。氣凝膠復(fù)合材料中的氣體流動(dòng)屬于過渡區(qū)或者自由分子區(qū)，會(huì)嚴(yán)重限制分子的自由移動(dòng)，使氣體分子與孔壁發(fā)生彈性碰撞，其kg趨近于0。
2）氣體對(duì)流是孔隙內(nèi)流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，引起各部分之間產(chǎn)生相對(duì)位移，導(dǎo)致冷熱流體摻混，發(fā)生熱量傳遞。氣凝膠的納米級(jí)孔隙尺寸會(huì)使空氣分子被限制在其自由行程內(nèi)，氣流依附在氣孔壁上，無法形成有效對(duì)流，其kc趨近于0，基本上可以忽略內(nèi)部孔隙的對(duì)流。
3）固相導(dǎo)熱是固體分子在平衡位置的晶格振動(dòng)的結(jié)果。一方面，氣凝膠復(fù)合材料極低的密度使得ks也較低；另一方面，其內(nèi)部復(fù)雜三維連通的網(wǎng)絡(luò)納米孔結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)了熱量經(jīng)由固體傳輸?shù)膫鳠崧窂剑蛊鋬?nèi)部會(huì)有“無窮長(zhǎng)路徑效應(yīng)”也進(jìn)一步減弱了固體骨架之間的熱傳導(dǎo)。
4）氣體熱輻射不需要介質(zhì)，它通過產(chǎn)生電磁波來傳遞能量，而外部輻射熱，穿過多孔材料時(shí)，會(huì)被多孔材料固體骨架吸收、反射或者折射。從氣凝膠材料的電鏡掃描圖中可以看到它會(huì)有納米氣孔，這些數(shù)量趨于無窮多的氣孔壁構(gòu)成了很多反射界面，它們就是一個(gè)個(gè)遮熱板，使得在常溫下kr也很低。
氣凝膠材料
目前高溫隔熱氣凝膠的主要材料為氧化物氣凝膠、炭氣凝膠和碳化物氣凝膠3種。
氧化物氣凝膠
氧化物氣凝膠是開始研究最早的一種氣凝膠且種類繁多，有氧化鎢、三氧化二鐵、氧化錫、氧化鋯、氧化釔等氣凝膠，都具有高孔隙率、低熱導(dǎo)率等特點(diǎn)。目前研究最多的是二氧化硅氣凝膠和氧化鋁氣凝膠。不僅僅在高溫隔熱領(lǐng)域，氧化物氣凝膠在催化劑及載體、氣體過濾、吸附材料等方面都有廣泛應(yīng)用。
1、SiO2氣凝膠
二氧化硅氣凝膠是高溫隔熱氣凝膠中開始研究最早，研究也相對(duì)更成熟的一種氣凝膠。該氣凝膠的合成方法主要是首先使用溶膠－凝膠法在溶膠中形成網(wǎng)狀納米骨架形成凝膠后，通過超臨界干燥法去除骨架之間的溶劑并且完整保留骨架結(jié)構(gòu)。
2、Al2O3氣凝膠
氧化鋁氣凝膠的制備方法與SiO2氣凝膠類似，前驅(qū)體一般采用醇鹽或無機(jī)鹽。氧化鋁的熔點(diǎn)高達(dá)2000℃。相比二氧化硅氣凝膠，氧化鋁氣凝膠由于擁有特殊的微觀結(jié)構(gòu)，在保持材料耐高溫性能的同時(shí)提高了材料的隔熱性能。但Al2O3氣凝膠在1000℃以上使用時(shí)同樣容易發(fā)生燒結(jié)(晶型轉(zhuǎn)變)導(dǎo)致材料的隔熱性能降低(體積縮減可達(dá)50%以上)。通過引入不同元素從而形成多元氧化物氣凝膠可以改善Al2O3氣凝膠的耐高溫性能。
炭氣凝膠
氧化物氣凝膠在1000℃以上易因晶型轉(zhuǎn)變和燒結(jié)而發(fā)生塌縮從而影響材料的隔熱性能，而炭氣凝膠在惰性及真空氛圍下耐溫可達(dá)2000℃以上，且其中的碳納米顆粒本身就有較好的輻射吸收能力，相當(dāng)于良好的遮光劑。制備方法是將有機(jī)氣凝膠干燥和碳化，從而得到炭氣凝膠，但缺點(diǎn)是在空氣中350℃便會(huì)發(fā)生氧化。通過在炭氣凝膠表面覆涂抗氧化層是一種防止材料氧化的方法，這一研究方向給炭氣凝膠帶來較好的應(yīng)用前景。
碳化物氣凝膠
碳化物具有耐高溫、耐磨、耐腐蝕、熔點(diǎn)高、硬度高、導(dǎo)電性良好等特點(diǎn)，且機(jī)械性能穩(wěn)定。雖然碳化物本身具有較高的熱導(dǎo)率，但將其制成具有極高孔隙率的氣凝膠材料之后，可大幅提高隔熱能力，作為一種優(yōu)良的耐高溫隔熱材料使用。目前碳化物氣凝膠的主流研究方向?yàn)镾iC氣凝膠，該氣凝膠的合成方法是將二氧化硅氣凝膠和碳源混合后進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)從而得到SiC氣凝膠。
純的碳化硅氣凝膠雖抗氧化性能優(yōu)于炭氣凝膠，但在高溫條件下仍然會(huì)發(fā)生氧化，且強(qiáng)度較低。將其與其他材料復(fù)合或?qū)⑵浔砻嫜趸纬梢粚又旅艿难趸た梢越鉀Q這兩大問題。
總結(jié)
氣凝膠具備良好的隔熱性能，是目前世界上最輕的固體材料，并且滿足A級(jí)防火要求，成為一種革命性的保溫材料，在航天、軍事、民用等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
需要注意的是，在氣凝膠應(yīng)用方面，氣凝膠材料低強(qiáng)度高脆性的特點(diǎn)決定了其難以單獨(dú)作為隔熱材料使用，必須要與無機(jī)陶瓷纖維之類的增強(qiáng)體進(jìn)行復(fù)合，在制備過程中可通過引入不同種類的高性能無機(jī)陶瓷纖維棉和遮光劑，調(diào)整遮光劑含量及纖維排布方式，優(yōu)化工藝條件，制備出熱力學(xué)綜合性能更為優(yōu)越的高效隔熱材料。
參考來源：
[1]孫希靜.氣凝膠復(fù)合材料的研究進(jìn)展
[2]吳曉棟等.耐高溫氣凝膠隔熱材料的研究進(jìn)展
[3]張馳等.氣凝膠隔熱復(fù)合材料研究進(jìn)展
[4]郁可葳等.耐高溫碳化物氣凝膠隔熱材料的研究進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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