中國粉體網(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、超級絕熱，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)，堪稱是最頂級的絕熱材料，用一句“yyds”評價毫不為過（yyds，當下很火的網(wǎng)絡(luò)用語，永遠的神拼音簡稱，意為非常厲害，氣凝膠作為當下乃至將來最頂級的絕熱材料當仁不讓）。
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受到業(yè)界高度關(guān)注。
氣凝膠的絕熱特性
1992年，美國學(xué)者HUNTAJ提出了超級絕熱材料的概念，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
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絕熱材料。
氣凝膠隔熱材料隔熱機理
氣凝膠復(fù)合材料的傳熱量計算公式為：
式中：
Qg——氣體分子導(dǎo)熱量，J；
Qc——氣體對流換熱量，J；
Qs——固體骨架導(dǎo)熱量，J；
Qr——氣體輻射換熱量，J。
對應(yīng)的熱導(dǎo)率：
式中：
kg——氣體分子熱導(dǎo)率；
kc——氣體對流熱導(dǎo)率；
ks——固相熱導(dǎo)率；
kr——氣體輻射熱導(dǎo)率。
1）根據(jù)分子運動及碰撞理論，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屬于過渡區(qū)或者自由分子區(qū)，會嚴重限制分子的自由移動，使氣體分子與孔壁發(fā)生彈性碰撞，其kg趨近于0。
2）氣體對流是孔隙內(nèi)流體的宏觀運動，引起各部分之間產(chǎn)生相對位移，導(dǎo)致冷熱流體摻混，發(fā)生熱量傳遞。氣凝膠的納米級孔隙尺寸會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，無法形成有效對流，其kc趨近于0，基本上可以忽略內(nèi)部孔隙的對流。
3）固相導(dǎo)熱是固體分子在平衡位置的晶格振動的結(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)，延長了熱量經(jīng)由固體傳輸?shù)膫鳠崧窂剑蛊鋬?nèi)部會有“無窮長路徑效應(yīng)”也進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，會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，它們就是一個個遮熱板，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。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鹽。氧化鋁的熔點高達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提高了材料的隔熱性能。但Al2O3氣凝膠在1000℃以上使用時同樣容易發(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，相當于良好的遮光劑。制備方法是將有機氣凝膠干燥和碳化，從而得到炭氣凝膠，但缺點是在空氣中350℃便會發(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、熔點高、硬度高、導(dǎo)電性良好等特點，且機械性能穩(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為SiC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發(fā)生氧化，且強度較低。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，氣凝膠材料低強度高脆性的特點決定了其難以單獨作為隔熱材料使用，必須要與無機陶瓷纖維之類的增強體進行復(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)合材料的研究進展
[2]吳曉棟等.耐高溫氣凝膠隔熱材料的研究進展
[3]張馳等.氣凝膠隔熱復(fù)合材料研究進展
[4]郁可葳等.耐高溫碳化物氣凝膠隔熱材料的研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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