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[交流] 关于气凝胶及其复合材料的应用,你了解多少?

关于气凝胶及其复合材料的应用,你了解多少?
关于气凝胶

图片来源:科迈斯
气凝胶(aerogel)是由胶体粒子或聚合物分子相互聚集构成的微纳多孔网络结构,并在孔隙中充满空气分散介质的一种新型轻质固体材料,具有极低的表观密度(可低至0.002gcm-3)、高孔隙率(80%-99.8%)、高比表面积(100-2000m2g-1)等特点,从而使其具有良好的阻隔性能、极低的热导率(0.01-0.04Wm-1K-1)以及高吸附、催化和负载能力等优异性能。因此,气凝胶有望作为隔热保温材料、阻燃材料、隔音材料、高效吸附材料、催化剂载体材料、光学器件及电极能源材料等得到广泛应用,被视为“未来最具潜力的十大材料之一”。
气凝胶分类
根据气凝胶的骨架组成物质将其分为三类:无机气凝胶,主要类型有硅气凝胶和金属氧化物气凝胶;有机气凝胶,该类型使用的前躯体多为间苯二酚-甲醛;碳气凝胶,在惰性气氛和高温的条件下,碳化有机气凝胶只保留碳骨架结构。除此之外,根据气凝胶材料干燥方法的不同,可以分为常压干燥气凝胶、冷冻干燥气凝胶和超临界干燥气凝胶三种类型。
气凝胶复合材料

图片来源网络
气凝胶复合材料简单易懂来说是气凝胶+复合结构材料通过工艺变成气凝胶复合材料。气凝胶性能最高,但其较低的强度和韧性等限制了材料的广泛应用。为提高气凝胶材料的韧性和强度,各种增强材料(金属/氧化物、纤维、无纺布和薄膜等)与气凝胶材料进行复合后制得了具有独特性能的气凝胶复合材料。
气凝胶及其复合材料应用
1.气凝胶在隔热保温方面的应用
隔热材料(即热绝缘材料)可以对热量传递有很好的阻隔作用,是一类阻碍热传递的功能性材料。该材料被广泛应用于建筑领域。气凝胶可以被用作隔热板应用在建筑物的外墙,起到保温的作用。气凝胶隔热材料的使用既不会增加建筑外墙的厚度,还可以节省建筑材料,降低建筑成本。除此以外,气凝胶还可以对气体运输管道进行隔热和保温,对管道起到保护的作用。
2.气凝胶在声学方面的应用
气凝胶具有很低的密度,可以使得声波在气凝胶中的传播速率大大降低,二氧化硅气凝胶的密度为0.2g/cm3,声波在气凝胶中的传播速率为100m/s。除此以外,气凝胶的质量较轻,而且无污染,是一种非常好的吸声材料,被广泛应用到建筑领域。在城市中的住房和工厂的建设中使用气凝胶材料,气凝胶可以吸附城市噪音以及工厂中生产制造的噪音污染。
3.气凝胶在电学方面的应用
气凝胶的介电常数较低而且具有可调控性,因此,气凝胶可以作为衬底材料用于集成电路中。一般来说,衬底材料所具有的介电常数与电子的运算速率成反比,即介电常数越大,运算速率越慢。气凝胶材料的介电常数较小,可以有效提高电子的运算速率。比如,二氧化硅气凝胶的介电常数很低,仅1.008C2/(N·M2),以此作为衬底材料,可以使得电子的运算速率达到很快的速度。而且,气凝胶是一种电绝缘材料,避免了电路漏电的可能。除了以上的应用领域以外,气凝胶材料也被广泛应用到了光学方面和化学催化剂载体方面等。
4.气凝胶在水处理方面的应用
气凝胶是一种多孔材料,具有许多优异的特性,如密度较低,大的比表面积和高的孔隙率等。这些特性的存在使得气凝胶可以作为吸收水资源中的化学污染品的材料来使用,优点在于,气凝胶材料不仅不会对水资源造成污染,又能快速的清理污染品,清洁水质,而且价格低廉。
5.氧化物及其复合气凝胶
氧化物气凝胶属于气凝胶领域较成熟的种类,通常采用醇盐或盐类作为前驱体,采用酸碱两步催化方法制备而成,兼具氧化物及气凝胶两者的特性,在氧化物原有优良性能的基础上附加了轻质、高孔隙率、高比表面积等特性,拓展了氧化物气凝胶材料的应用领域。目前,氧化物气凝胶研究较多的主要是SiO2、TiO2、ZrO2和Al2O3气凝胶及复合气凝胶。

6.碳化物及其复合气凝胶
碳化物是一种高硬度、高熔点和化学性质稳定的化合物,一般通过原位生成法制得,在制备过程中控制工艺参数将碳化物制成气凝胶结构,可提升气凝胶材料的使用温度,进而拓展在高温领域的应用,如航天航空、高温窑炉、核能等领域。
7.氮化物及其复合气凝胶
氮化物气凝胶是一种新型的无机气凝胶,目前的研究主要集中在Si3N4气凝胶和BN气凝胶,还涉及了少量其他氮化物气凝胶的研究,如C3N4气凝胶和氮化钒(VN)气凝胶。将氮化物材料制备成多孔气凝胶结构,将兼具气凝胶与氮化物的优异特性,这对于拓展氮化物材料的应用具有十分重要的意义,但是国内外对于氮化物气凝胶的研究尚处于基础阶段,该类气凝胶的研究仍有较大发展空间。
8.聚合物基有机气凝胶
聚合物基有机气凝胶是以高聚物分子通过与胶体粒子之间以氢键或范德华力相结合而形成的具有多孔网络结构的有机化合物与传统的无机气凝胶相比,有机气凝胶性能主要取决于聚合物种类,因此聚合物基有机气凝胶具有灵活的设计性和性能可调性。聚合物基有机气凝胶主要有聚氨酯(PU)、聚脲(PUA)、聚酰亚胺(PI)等研究较多的聚合物基有机气凝胶,随着研究的深入还出现了间规聚苯乙烯(sPS)、聚间苯二胺(PmPD)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚酰胺(PA)、聚吡咯(pPy)等其他聚合物基气凝胶的研究报道。
9.石墨烯气凝胶
石墨烯气凝胶(GA)又称石墨烯泡沫、石墨烯海绵或者石墨烯宏观结构体。除了具有C气凝胶的一系列优异特性外,GA还因构筑单元优异的理化性能而具备大孔结构和超弹性等独特性能,进而成为当下研究的热点。
10.量子点气凝胶
将量子点(QDs)引入气凝胶,能够得到既具备QDs良好光学、催化性能,同时具备气凝胶吸附、传感、隔热保温等特性的量子点气凝胶。量子点气凝胶作为一种新兴技术材料,其优异的性能将迅速成为研究热点。下面将从催化、传感、电池、生物成像以及荧光等应用领域分别介绍量子点气凝胶的研究现状。
11.生物质基有机及C气凝胶
继氧化物、碳化物、氮化物等无机气凝胶和聚合物基传统有机气凝胶的研究之后,生物质基有机气凝胶凭借原料的分布广泛和获取方式简易等优势而受到极大的关注。同时,生物质基原料往往绿色无毒,普遍具有生物相容性、生物可降解性等特点,这极符合当前绿色化学理念。
气凝胶材料目前存在问题及发展方向
1.形成机制有待进一步研究。虽然碳化物、氮化物、量子点、生物质基有机及碳气凝胶等新型气凝胶材料已经得以成功制备,但是此类气凝胶材料合成机制研究尚不够深入,同时气凝胶网络结构生长机制、表面组成及化学结构调控和高温结构稳定性调控等需要进一步研究,后期需要将目光集中在量子化学及分子动力学计算和实验研究相结合上,实现从分子、原子层面对气凝胶材料的形成机制进行深入研究和对气凝胶材料的性能进一步优化调控。
2.功能型气凝胶材料的研究有待继续深入。气凝胶在电极材料、半导体材料、磁性材料等方面的应用研究还不够完善,有关结构和性能关系的研究尚不深入,需要进一步研究其内在机制,揭示性能和结构之间的关联,同时高性能、多功能型气凝胶材料还有待对气凝胶材料的性能进一步开发。
3.规模化生产问题还未解决。在工业生产方面,气凝胶因成本较高、施工不易限制了其规模化应用,需要采用成本更加低廉的前驱体,结合成本更低的干燥手段,使生产工艺得到完善,进一步降低气凝胶材料的成本,推动气凝胶的工业化生产。只有这样,气凝胶材料才有望在今后成为推动社会发展变革的超级材料,为人类的生活带来真正意义上的革新。
参考资料:
[1]吴晓栋,宋梓豪,王伟,崔艺,黄舜天,严文倩,马悦程,赵一帆,黄龙金,李博雅,林本兰,崔升,沈晓冬. 气凝胶材料的研究进展[J]. 南京工业大学学报(自然科学版),2020,42(04):405-451.  [2]郎咸华. 气凝胶复合材料的制备以及性能研究[D].青岛科技大学,2018.

为了更好的了解气凝胶材料,“2021绿色复合材料论坛”特诚邀 中科院苏州纳米所 张学同研究员 莅临本次大会,分享《气凝胶相变材料主客体复合:设计、制备及应用》主题报告。
本报告将重点介绍其在气凝胶相变材料主客体复合方面的最新进展,内容涉及主客体复合材料的设计、制备及应用等。
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