1、浙大实验室诞生超轻气凝胶展现吸油高弹优越性能日期： 2013 年03 月 18日 15:39 来源：浙大新闻办 作者： 周炜 阅读次数：6510浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶它刷新了目前世界上最轻材料的记录，弹性和吸油能力令人惊喜。这一进展被自然杂志在“研究要闻”栏目中重点配图评论。气凝胶是入选吉尼斯世界记录的最轻的一类物质，因其内部有很多孔隙，充斥着空气，故而得名。1931 年，美国科学家Kistler用二氧化硅制得了最早的气凝胶，外号 “凝固的烟”。2011 年，美国 HRL实验室、加州大学欧文分校和加州理工学院合作制备了一种镍构成的气凝胶，密度为 0.9 毫克/立
2、方厘米，创下了当时最轻材料的记录。把这种材料放在蒲公英花朵上，柔软的绒毛几乎没有变形这张照片入选了自然杂志年度十大图片，也给高超留下了深刻印象：能不能制备出一种材料，挑战这个极限？我国的石墨储备非常丰富，占全世界的三分之二。科学家一直在探索石墨高效利用的方法。 “把石墨变成石墨烯（一种由碳原子构成的单层片状结构），其价值可以上升数千倍。”高超的课题组经过五六年的探索，解决了宏观制备宏观有序的石墨烯材料的方法，制备了一维的石墨烯纤维和二维的石墨烯薄膜。这次，他们打算把石墨烯做成三维多孔材料来冲击这一记录。在实验室，记者看到了一个个大小不等的“碳海绵”：它们大的如网球，小的如酒瓶塞。在电子显微镜下
3、，碳纳米管和石墨烯共同支撑起无数个孔隙，“就像大型体育场馆等大型空间结构，用钢筋做支架，用高强度的薄膜等做墙壁，材料整体既轻且强。”课题组博士生孙海燕说，“在这里，碳纳米管就是支架，石墨烯就是墙壁。”在已报道的成果中，高超课题组制备的“碳海绵”仍是最轻纪录保持者可达到 0.16 毫克/立方厘米，低于氦气的密度。相关论文 2月 18 日在线发表在先进材料（Advanced Materials）上。但是，课题组对于申报吉尼斯世界记录兴趣不大，“轻并不是它最大的新意所在”，高超解释：这项成果的价值在于其简便的制备方法，以及材料所展现出来的优越性能。气凝胶的基本制备原理是除去凝胶中的溶剂，让其保留完整
4、的骨架。在以往制备气凝胶的案例中，科学家主要采用溶胶凝胶法和模板导向法。前者可以批量合成，但是可控性差；后者能产生有序的结构，但依赖于模板的精细结构和尺寸，难以大量制备。高超课题组另辟蹊径，探索出无模板冷冻干燥法：将溶解了石墨烯和碳纳米管的水溶液在低温下冻干，便获得了“碳海绵”，并且可以任意调节形状。“不需要模板，只与容器有关。容器多大，就可以制备多大，可以做到上千立方厘米，甚至更大。”高超说。自然杂志点评的标题是：固体碳：弹性而轻盈。这一新生事物的性能令人惊喜。它高弹，“碳海绵”被压缩 80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力，是已报道的吸油力最高的材料。现有的吸油产品一般只
5、能吸自身质量 10 倍左右的液体，而“碳海绵”的吸收量是自身质量的250 倍左右，最高可达 900 倍，而且只吸油不吸水。此外，“大胃王”吃有机物的速度也极快：每克这样的碳海绵每秒可以吸收 68.8 克有机物。这让人联想到用来处理海上的漏油：“也许某一天发生漏油时，可以把它们撒在海面上，就能把漏油迅速地吸收进来。因为有弹性，吸的油能够被压出来回收利用，碳海绵也可以重新使用。”据介绍，“碳海绵”还可能成为理想的相变储能保温材料，催化载体以及高效复合材料。就如一个呱呱坠地的婴儿，对这一新生材料，科学家还很难准确预计它的应用领域与前景，还得依靠现实社会以及产业界的想象力，让这个新材料走出实验室，实现
6、对世界的实际应用价值。(周炜)浙大实验室诞生超轻气凝胶展现吸油高弹优越性能日期： 2013 年03 月 18日 15:39 来源：浙大新闻办 阅读次数：作者： 周炜 6510浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶它刷新了目前世界上最轻材料的记录，弹性和吸油能力令人惊喜。这一进展被自然杂志在“研究要闻”栏目中重点配图评论。气凝胶是入选吉尼斯世界记录的最轻的一类物质，因其内部有很多孔隙，充斥着空气，故而得名。1931 年，美国科学家Kistler用二氧化硅制得了最早的气凝胶，外号 “凝固的烟”。2011 年，美国 HRL实验室、加州大学欧文分校和加州理工学院合作制备了一种镍构成的气
7、凝胶，密度为 0.9 毫克/立方厘米，创下了当时最轻材料的记录。把这种材料放在蒲公英花朵上，柔软的绒毛几乎没有变形这张照片入选了自然杂志年度十大图片，也给高超留下了深刻印象：能不能制备出一种材料，挑战这个极限？我国的石墨储备非常丰富，占全世界的三分之二。科学家一直在探索石墨高效利用的方法。 “把石墨变成石墨烯（一种由碳原子构成的单层片状结构），其价值可以上升数千倍。”高超的课题组经过五六年的探索，解决了宏观制备宏观有序的石墨烯材料的方法，制备了一维的石墨烯纤维和二维的石墨烯薄膜。这次，他们打算把石墨烯做成三维多孔材料来冲击这一记录。在实验室，记者看到了一个个大小不等的“碳海绵”：它们大的如网球
8、，小的如酒瓶塞。在电子显微镜下，碳纳米管和石墨烯共同支撑起无数个孔隙，“就像大型体育场馆等大型空间结构，用钢筋做支架，用高强度的薄膜等做墙壁，材料整体既轻且强。”课题组博士生孙海燕说，“在这里，碳纳米管就是支架，石墨烯就是墙壁。”在已报道的成果中，高超课题组制备的“碳海绵”仍是最轻纪录保持者可达到 0.16 毫克/立方厘米，低于氦气的密度。相关论文 2月 18 日在线发表在先进材料（Advanced Materials）上。但是，课题组对于申报吉尼斯世界记录兴趣不大，“轻并不是它最大的新意所在”，高超解释：这项成果的价值在于其简便的制备方法，以及材料所展现出来的优越性能。气凝胶的基本制备原理是
9、除去凝胶中的溶剂，让其保留完整的骨架。在以往制备气凝胶的案例中，科学家主要采用溶胶凝胶法和模板导向法。前者可以批量合成，但是可控性差；后者能产生有序的结构，但依赖于模板的精细结构和尺寸，难以大量制备。高超课题组另辟蹊径，探索出无模板冷冻干燥法：将溶解了石墨烯和碳纳米管的水溶液在低温下冻干，便获得了“碳海绵”，并且可以任意调节形状。“不需要模板，只与容器有关。容器多大，就可以制备多大，可以做到上千立方厘米，甚至更大。”高超说。自然杂志点评的标题是：固体碳：弹性而轻盈。这一新生事物的性能令人惊喜。它高弹，“碳海绵”被压缩 80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力，是已报道的吸油力最
10、高的材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量 10 倍左右的液体，而“碳海绵”的吸收量是自身质量的250 倍左右，最高可达 900 倍，而且只吸油不吸水。此外，“大胃王”吃有机物的速度也极快：每克这样的碳海绵每秒可以吸收 68.8 克有机物。这让人联想到用来处理海上的漏油：“也许某一天发生漏油时，可以把它们撒在海面上，就能把漏油迅速地吸收进来。因为有弹性，吸的油能够被压出来回收利用，碳海绵也可以重新使用。”据介绍，“碳海绵”还可能成为理想的相变储能保温材料，催化载体以及高效复合材料。就如一个呱呱坠地的婴儿，对这一新生材料，科学家还很难准确预计它的应用领域与前景，还得依靠现实社会以及产业界的想象力
11、，让这个新材料走出实验室，实现对世界的实际应用价值。(周炜)2013 中国十大科技进展新闻6.世界上“最轻材料”研制成功 浙江大学研制出一种被称为“全碳气凝胶”的固态材料，密度仅每立方厘米 0.16 毫克，是空气密度的六分之一，也是迄今为止世界上最轻的材料。“全碳气凝胶”在结构韧性方面也十分出色，可在数千次被压缩至原体积的 20%之后迅速复原。此外，“全碳气凝胶”还是吸油能力最强的材料之一。现有的吸油产品一般只能吸收自身质量 10 倍左右的有机溶剂，而“全碳气凝胶”的吸收量可高达自身质量的900倍。 这一研究成果于 2 月 18 日在线发表于先进材料杂志，并被自然杂志在“研究要闻”栏目中重点配
12、图评论。超轻气凝胶象气球一样会被顺风吹走的材料日期： 2013 年03 月 19日 10:29 来源：浙大新闻办 作者： 汪晓勇 卢绍庆 阅读次数：8369浙江大学高分子系高超研究团队研制的“轻气凝胶”，一种轻得就象气球一样会被顺风吹走的材料，小花小草都能承担它的重量一个 8 立方厘米的材料，可以被花芯稳稳托住。图一至三，轻气凝胶在植物上图四为高超和他的博士生高超（浙江大学教授）编辑目录1 个人简介2 学习经历3 工作简历4 获奖荣誉5 学术成果6 研究方向7 相关报道1 个人简介编辑高超，土家族，1973 年1 月生。工学博士，教授，博士生导师。1995 年毕业于湖南大学化学化工学院有机化工
13、高超 1专业，获学士学位，1998 年毕业于同校精细化工专业获硕士学位，2001 年毕业于上海交通大学高分子科学与工程系，获得工学博士学位，并留校任教。2002 年8 月被评为副教授。2003 年11 月至 2006 年 8月先后在英国 Sussex 大学化学系 Harold W. Kroto爵士实验室( 因发现 C60 获得 1996 年诺贝尔化学奖)、日本 Toyo 大学 Toru Maekawa 教授组、德国 Bayreuth大学 Axel H. E. Mller 教授组做访问研究、博士后研究、合作研究和洪堡基金研究员。2008 年2 月加入浙江大学高分子系，同年 7 月被评为教授、博士
14、生导师。在包括 J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Prog. Polym. Sci., Adv. Func. Mater., Chem. Commun., Macromolecules, Biomacromolecules, J. Phys. Chem. B, Langmuir, J. Mater. Chem., Nanotechnology 等在内的国际 知名杂志上发表 SCI收录文章60 多篇，被他引 1300 余次，其中一篇的他引率超过350 次，居 1998-2007 全国高引用率文章 62 篇中的 17 位，20042008 年中国化
15、学领域高引用率文章第 1 名，另一篇文章他引 200多次，居 20042008 年中国化学领域高引用率文章第 7 名，获得授权的国家发明专利 20 多项。曾获得 2007 年上海市科学技术一等奖(R3)，2005 年全国 (百篇)优秀博士学位论文奖，入选 2005 年教育部新世纪优秀 人才计划，获得并完成了教育部霍英东教育基金和上海市启明星基金。主持三项国家自然科学基金，担任 The Open Macromolecules Journal 和The Open Process Chemistry Journal 杂志的顾问编委。 12 学习经历编辑1991.091995.07: 湖南大学化学化工
16、学院有机化工专 业，学士学位1995.091998.02: 湖南大学化学化工学院精细化工专 业，硕士学位1998022001.11: 上海交通大学化学化工学院高分子材料专业，博士学位3 工作简历编辑2001.042002.08: 上海交通大学化学化工学院，讲师2002.082003.11: 上海交通大学化学化工学院，副教授2003.112005.07: 英国萨塞克斯大学(University of Sussex）化学系 Harold W. Kroto教授 (1996 年度诺贝尔化学 奖得主）组，访问学者、博士后研究员2005.022005.04: 日本东洋大学（Toyo University）
17、生物 纳米电子工程研究中心Toru Maekawa 教授组，合作研究2005.072006.08: 德国拜罗伊特大学（Bayreuth University）化学系 Axel H. E. Mller 教授组，洪堡基金研究员 (Research Fellow,Alexander von Humboldt Foundation)2006.092008.01: 上海交通大学化学化工学院，副教授2008.022008.07: 浙江大学材化学院高分子系，副教授2008.07 今： 浙江大学 材化学院高分子系，教授，博士生导师4 获奖荣誉编辑1. 2007.12 上海市 科学技术奖 （自然科学类）一等奖
18、（排名第三）2. 2007.11 上海市 浦江计划3. 2005.10 全国百篇优秀博士学位论文奖4. 2005.10 入选教育部新世纪优秀人才计划5. 2004.12 霍英东 青年教师基 金6. 2003.07 上海市 青年科技启 明星5 学术成果编辑前期研究主要集中在碳纳米管功能化及超支化聚合物领域，在包括 J. Am. Chem. Soc.,Angew. Chem. Int. Ed.,Prog. Polym. Sci.,Adv. Func. Mater.,Chem. Commun.,Macromolecules,Biomacromolecules,J. Phys. Chem. B,Lan
19、gmuir,Nanotechnology,J. Mater. Chem. 等在内的国际知名杂志上发表 SCI 收录文章50 多篇，被他引 900 余次，其中一篇的他引率超过200 次，居 20022006 年中国化学领域引用第 6名，获得授权的国家发明专利 20 多项。主持三项 国家自然科学基金，担任The Open Macromolecules Journal杂志 ( EBM.htm) 和The Open Current Process Chemistry Journal的编委，任日本东洋大学生物 纳米电子工程研究中心客座研究员。6 研究方向编辑高分子基纳米化学与材料PolymerRelat
20、ed Nanochemistry and Nanomaterials (PRNN)1. 有机纳米大分子 (树枝状聚合物、柱状聚合物刷及其它复杂结构/构造聚合物）： 设计、合成、组装及应用Organic nanomolecules (dendritic polymers,cylindrical polymer brushes and other threedimensional macromolecules): design,synthesis,selfassembly and applications2. 无机纳米材 料的高分子化Polymerfunctionalization of inor
21、ganic nanomaterials (e.g.,carbon nanotubes,graphite,semiconducting quantum dots,metallic nanocrystals,etc.)3. 超分子聚合物 (Supramolecular polymer)4. 生物纳米化学、材料与器件Bionano chemistry,materials and devices5. 活性/可控聚合反 应及“ 点击 ”化学Living/controlled polymerization and “click” chemistry。6. 石墨烯纤维graphene fiber7 相关报道
22、编辑浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶它刷新了目前世界上最轻材料的纪录，弹性和吸油能力令人惊喜。这种被称为“ 全碳气凝胶” 的固态材料密度为每立方厘米 0.16 毫克约 8 立方厘米的“碳海绵”立在桃花花蕊上，仅是空气密度的 1/6【腾讯 科学注：如根据空气在一个标准大气压、25室温条件下密度是每立方厘米 1.18 毫克计 算，这里应该为空气密度的1/7 较合适；如根据空气在0条件下密度是每立方厘米 1.29 毫克计算，这里应该为空气密度的1/8 较合适】。日前，这一进展被自然杂志在“研究要闻” 栏目中重点配图评论。 2参考资料 1 首页高超简历 浙江大学高分子科学与工程学
23、系 引用日期 2012-11-11 2 中国浙江大 学制造出世界最轻材料 腾讯科技 引用日期 2013-03-21 广东埃力生高新科技有限公司编辑广东埃力生高新科技有限公司作为中国最大规模工业化生产气凝胶隔热材料的领军企业，有着近十年的研发及生产经验，公司已经成功研发工业化生产气凝胶、气凝胶毡、气凝胶板三个系列的产品。可以应用于石油石化、工业管道、直埋保温管道、热电、冶炼、窑炉、家电、建筑、运输等各领域的保温隔热材料，为保温行业的发展出巨大贡献。公司名称广东埃力生高新科技有限公司外文名称Guangdong Alison Hi-Tech Co.,ltd.经营范围气凝胶，气凝胶毡及气凝胶板公司性质
24、有限责任公司公司口号埃力生气凝胶-隔热保温领域专家公司地点广州越秀区东湖西路 2号金湖大厦生产基地广东省英德市英红镇英红工业区注册资金8000 万目录1 公司介绍2 企业文化 埃力生宗旨 企业使命 企业愿景 经营理念 企业精神3 主要产品介 绍 气凝胶的定义 气凝胶的特性 气凝胶的性能 主要应用领域4 隔热原理1 公司介绍编辑广东埃力生高新科技有限公司位于广东省英德市，是一家集研发、生产、销售气凝胶复合隔热材料为一体的创新型高新技术企业，也是中国大规模工业化生产气凝胶隔热材料的领军企业 广东埃力生 (2 张)。我公司自创建以来，引进了大批高级技术人员和管理人才，以“科技创新、质量第一”为研发理
25、念、以“节能环保”为主题，成功的将气凝胶保温隔 热这一创新技术转化为气凝胶复合隔热材料产品与工业应用解决方案，生产出气凝胶、气凝胶毡、气凝胶板三大系列产品。气凝胶隔热材料产品因其极佳的防火、保温隔热性能，可广泛作为工业管道、石油石化、热电、冶炼、窑炉、家电、建筑、运输等领域的保温隔热材料，能实现节能、大幅减少壁厚、增大有效容积的目的，符合国家倡导的节能减排的先进理念。公司严格按照 ISO9001:2008 的质量标准进行管理，本着“ 品质至上、服务第一”的经营理念，力求为广大客户提供顶级的耐火隔热材料及一系列配套的防火隔热工程优化方案，解决传统隔热保温材料所不能解决的问题。编辑埃力生宗旨通过向
26、客户提供全方位的产品服务，实现公司与客户的共同发展；通过充分尊重，挖掘和培养员工的潜能，实现员工与公司的共同成长。企业使命持续为人类和地球的未来，制造一个舒适的环境。企业愿景成为中国乃至隔热材料领域最值得信赖的领先企业。经营理念创造价值、传递价值、追求价值、分享价值企业精神诚信，务实，团结，进取 13 主要产品 介绍编辑气 凝 胶气凝胶的定义气凝胶是一种固体物质形态，是世界上密度最小的固体之一。一般常见的气凝胶为硅气凝胶，也有碳气凝胶存在。目前最轻的硅气凝胶仅有 3 毫克每立方厘米，比空气重三倍，所以也被叫做“冻结的烟”或“ 蓝烟” 。气凝胶的特性*孔隙率很高，可高达 99.8% ；*纳米级别
27、孔洞(20100nm )和三维纳米骨架颗粒(25nm)；*高比表面积，可高达 1000m/g；*低密度，可低至 0.003g/cm；*气凝胶独特的结构决定了其具有极低的热导率，常温下可以低至 0.013W/(mK)；*强度低，脆性大，由于其比表面积和孔隙率很大，密度很低，导致其强度很低气凝胶的性能物理项 性能参数密度 18kg/m3比表面积 500-650m/g孔隙率 95-98%孔径 20-70nm孔容 3.5ml/g导热系数 0.01-0.015w/mk疏水性 疏水或亲水两类主要应用领域* 填充型超级保温绝热材料*催化剂以及催化载体方面的应用* 化妆品及牙膏添加剂、油墨添加剂 、体育用品增
28、强剂等* 超级电容及其它电化学方面* 储氢材料* 气体或者液体吸附纳米气凝胶毡工业领域用耐高温柔性隔热材料气凝胶毡是以二氧化硅气凝胶为主体原料，通过高科技工艺复合而成。柔韧、环保、可抑制辐射、可灵活施工的气凝胶毡，其导热系数极低，可应用于-200到 1000温度范围的保温隔热，是工业管道、储罐、设备等领域最为理想的保温隔热材料，也是世界上最为先进的新型节能保温材料之一。材料物理性能包装状态 卷状厚度 3mm、5mm、6mm、10mm，可按要求订制幅宽 910mm、1200mm、1500mm导热系数 0.018w/mk 以下（25环境）适用温度范围 -20090, 0650,5001000密度
29、220kg/m3疏水性 整体憎水应用特性隔热性能优越隔热性能是传统材料的38 倍。达到同等隔热效果，所需隔热层厚度仅为传统材料的几分之一，且使用寿命长良好的机械性能质轻，柔韧，优良的抗拉强度防火、疏水防火性能为A1 级，材料整体如荷叶般疏水。易于加工、施工便捷利用普通裁剪工具即可加工成适合复杂部件所需形状。低厚度隔热层,大大缩短工时，大幅削减人 力需求。节省物流开支更薄的隔热层,对比传统材料用量 ,大大降低物流成本纳米气凝胶板耐高温刚性保温隔热材料气凝胶板是以二氧化硅气凝胶为主体原料，通过高科技工艺复合而成。耐高温、平整、抗机械性、易于加工的气凝胶板，其导热系数极低，是工业保温隔热应用领域的主
30、导材料之一。适用于中、高温环境隔热的气凝胶板，是各行各业高温机械部件的理想保温隔热材料，也是使设备节能高效的首选保温隔热材料之一。材料物理性能包装状态 片状厚度 10mm、20mm、30mm，可订制不同 厚度规格（长*宽） 900*580mm导热系数 0.020w/mk（常温 25）适用温度范围 0-1000密度 280-320 kg/m3疏水性 整体憎水应用特性隔热性能优越隔热性能是传统材料的3 到 8 倍，极大降低隔热层厚度,性能稳定, 使用寿命长防火性能优异 安全指数高耐火焰，不燃烧，不产生烟，良好的耐火焰烧穿性能物理性能良好具有良好的抗机械破化性能，施工便捷亦可利用普通裁剪工具加工成适
31、合复杂部件及高温紧密空间隔热所需的形状；大大缩短工时，大幅削减人力需求低厚度隔热层,大大缩短工时，大幅削减人 力需求。节省物流开支更薄的隔热层,对比传统材料用量 ,大大降低物流成本4 隔热原理编辑一、热传导的三途径宏观上讲，热的本质就是大量分子的无规则运动的外在表现，一个物体越热，实际上就是指这个物体的分子运动越激烈。这种运动在气体中就表现为气体分子的自由运动；在液体中就表现为液体分子的成团流动；在固体中就表现为固体分子在一定位置上的振动。归纳起来说，导热一共有三个途径，分别是：热传导、对流和辐射。热传导是由于物体分子的热振动具有相互影响的特性而产生的，其趋势是使整个物体热量处处均匀。对流导热
32、，是由于热的气体或者液体密度较小，在重力作用下冷热液体相对流动而产生的。辐射导热，则是一切温度高于绝对零度的物体都具备的，以电磁波的形式向外导热的方式。为了达到良好的隔热效果，隔热材料必须对上述三个导热的途径加以抑制。二、材料隔热原理分析Alsion 研制的多孔二氧化硅气凝胶复合隔热材料能很好的抑制上述三种热传导的途径。固体导热能力的大小，从隔热材料的角度来说，仅跟材料本身固有的导热系数，以及材料的密度有关。为了降低材料的密度，一般的隔热材料均采取制造孔隙的办法。本公司研制的多孔二氧化硅气凝胶复合隔热材料，在这一点上做到了极致；该材料的孔隙率占到了整体积的 90%以上，因而材料密 度极低，仅为
33、水的四分之一左右。然而，因为大部分隔热材料均含有大量的孔隙，因此孔隙内部所含气体的对流导热，成为一个关键导热途径。据研究，对流导热仅跟气体性质和孔隙大小有关。不同隔热材料用不同办法来降低材料对流导热。例如，聚氨脂发泡材料在孔隙中填充了氟利昂气体，该气体的导热率仅有空气的三分之一，从而获得了优越的隔热性能。但因其能严重破坏臭氧层曾被二氧化碳等替代，然而二氧化碳等作为填充的聚氨脂材料，又会存在导热率高的问题。本材料采取了另一个途径，即减小孔隙直径的办法来降低孔隙中空气的热导率。经过特殊工艺制得的本材料，其中孔隙的平均直径仅为 50-60 纳米，约为头发直径的千分之一，而空气分子的平均自由程为 70
34、 纳米左右。在如此之小的空隙中，空气几乎无 法流动，从而抑制了空气的对流导热。此外，由于大量微小孔洞的存在，本材料几乎具有无限多的孔壁，而这些孔壁均可视为辐射的反射面和折射面。一毫米厚度的本材料就含有上万层的反射面和折射面，很好地阻隔了辐射导热。同时为了更好抑制材料的辐射导热，本材料添加了一些纳米级的反辐射物质，可以很好的反射/吸收热辐射 。因此对于辐射导热本材 料也有很好的抑制作用。气凝胶编辑气凝胶，英文 aerogel，又称为干凝胶。当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状，这即为干凝胶，也称为气凝胶。如明胶、阿拉伯胶、硅
35、胶、毛发、指甲等。气凝胶也具 凝胶的性质，即具膨胀作用、触变作用、离浆作用。目录1 简介2 特性3 制备4 作用 研究领域 研究单位 其他用途5 超轻 背景介绍 物体特性1简介编辑气凝胶是一种固体物质形态，世界上密度最小的固体。密度为 3kg/每立方米。一般常见的气凝胶为硅气凝胶，其最早由美 国科学工作者 Kistler 在 1931 年制得。气凝胶的种类很多，有硅系，碳系，硫系，金属氧化物系，金属系等等。aerogel 是个组合词，此处aero 是形容词，表示飞行的 ，gel 显然是凝胶。字面意思是 可以飞行的凝胶。任何物质的gel 只要 可以经干燥后除去内部 溶剂后，又可基本保持其形状不变
36、，且产物高孔隙率、低密度，则皆可以称之为气凝胶。因为密度极低，目前最轻的硅气凝胶仅有 0.16 毫克每立方厘米，比空气密度略低，所以也被叫做“冻结的烟” 或“蓝烟” 。由于里面的颗粒非常小（纳米量级） ，所以可见光经过它时散射较小（瑞利散射） ，就像阳光经过空气一样。因此，它也和天空一样看着发 蓝（如果里面没 有掺杂其它东西） ，如果对着光看有点发红。 （天空是蓝色的，而傍晚的天空是红色的） 。由于气凝胶中一般 80%以上是空气，所以有非常 好的隔热效果，一寸厚的气凝胶相当 20 至 30 块普通玻璃的隔热功能 。即使把气凝胶放在玫瑰与火焰之间，玫瑰也会丝毫无损。气凝胶在航天探测上也有 多种用
37、途，在俄罗斯“和平” 号空间站和美国“火星探路者 ”的探测器上都有用到这种材料 。气凝胶也在 粒子物理实验中，使用来作为切连科夫效应的探测器。位在高能加速器 研究机构 B 介子工厂 的 Belle 实验探测器中一个称为气凝胶切连科夫计数器(Aerog el Cherenkov Counter, ACC) 的粒子鉴别器，就是一个最新的应用实例。这个探测器利用的气凝胶的介于液体与气体之低折射系数特性，还有其高透光度与固态的性质，优于传统使用低温液体或是高压空 气的作法。同时，其轻量的性质也是优点之一。2特性编辑气凝胶，作为世界最轻的固体，已入选吉尼斯世界纪录。这种新材料 密度仅为 3.55千克每立
38、方米，仅为空气密度的 2.75 倍；干燥的松木密度（500 千克 每立方米）是它的140 倍。这种物质看上去像凝固的烟，但它的成分与玻璃相似 。由于它的密度极小，用于航空航天方面非常合适。气凝胶美宇航局喷气推进实验室，该实验室琼斯博士研制出 的新型气凝胶，主要由纯二氧化硅等组成。在制作过程 中，液态硅化合物首先与能快速蒸发的液体溶剂混合，形成凝胶，然后将凝胶放在一种类似加压蒸煮器的仪器中干燥，并经过加热和降压，形成多孔海绵状结构。琼斯博士最终获得的气凝胶中空气比例占到了99.8%。气凝胶因其半透明的色彩和超轻重量，有时也被称为“固态烟” 或“冻住的烟”。这种新材料看似脆弱不堪，其实非常坚固耐用
39、，最高能承受1400 摄氏度的高温。气凝胶的这 些特性在航天探测上有多种用途。俄罗斯“和平” 号空间站和美国 “火星探路者”探测器上，都用到了气凝胶材料。美国国家宇航局研制出的一种新型气凝胶，由于密度只有每立方厘米 3 毫克，日前已经作为“ 世界上密度最低的固体 ”正式入选吉尼斯世界纪录 。这种气凝胶呈半透明淡蓝色，重量极轻，因此人们也 把它称为“固态烟” 。新型气凝胶是由美国国家宇航局下属的“ 喷气推进实验室” 材料科学家 史蒂芬琼斯博士研制的。它的主要成分和玻璃一样也是二氧化硅，但因为它 99.8%都是空气，所以密度只有玻璃的千分之一。气凝胶貌似“弱不禁风”，其实非常坚固耐用。它可以承受
40、相当于自身质量几千倍的压力，在温度达到1200 摄氏度时才会熔化。此外它的导热性和折射率也很低，绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39 倍。由于具备这些特性，气凝胶便成 为航天探测中不可替代的材料，俄罗斯“和平” 号空间站和美国“火星探路者” 探测器都用它来进行热绝缘。气凝胶在航天中的应用远不止这些，美国国家宇航局的“星尘” 号飞船正带着它在太空中执行一项十分重要的使命收集彗星微粒。科学家认为 ，彗星微粒中包含着太阳系中最原始、最古老的物质，研究它可以 帮助人类更清楚地了解太阳和行星的历史。2006 年 ，“星尘” 号飞船将带 着人类获得的第一批彗星星尘样品返回地球。但收集彗星星尘并不是件容易的事
41、，它的速度相当于步枪子弹的 6 倍，尽管体积比沙粒还要小，可是当它以如此高速接触其它物质时，自身的物理和化学组成都有可能发生改变，甚至完全被蒸发。如今科学家有了气凝胶，这个问题就变得很简单了。它就像一个极其柔软的棒球手套，可以轻轻地 消减彗星星尘的速度，使它在滑行一段相当于自身长度200 倍的距 离后慢慢停下来。在进入“ 气凝胶手套”后，星尘会留下一段胡萝卜状的轨迹，由于气凝胶几乎是透明的，科学家可以按照轨迹轻松地找到这些微粒。3制备编辑气凝胶最初是由 S.Kistler 命名，由于他采用超临界干燥方法成功制 备了二氧化硅气凝胶，故将气凝胶定义为：湿凝胶经超临界干燥所得到的材料，称之为气凝胶。
42、在 90 年代中后期，随着常压干燥技术的出现和发展，90 年代中后期普遍接 受的气凝胶的定义是：不论采用何种干燥方法，只要是将湿凝胶中的液体被气体所取代，同时凝胶的网络结构基本保留不变，这样所得的材料都称为气凝胶。气凝胶的结构特征是拥有高通透性的圆筒形多分枝纳米多孔三位网络结构，拥有极高孔洞率、极低的密度、高比表面积、超高孔体积率，其体密度在0.003-0.500 g/cm-3 范围内可调。 （空气的密度为 0.0129 g/cm-3） 。气凝胶的制备通常由溶胶凝胶过程和超临界干燥处理构成。在溶胶凝胶过程中，通过控制溶液的水解和缩聚反应条件，在溶体内形成不同结构的纳米团簇，团簇之间的相互粘连形
43、成凝胶体，而在凝胶体的固态骨架周围则充满化学反应后剩余的液态试剂。为了防止凝胶干燥过程中微孔洞内的表面张力导致材料结构的破坏，采用超临界干燥工艺处理，把凝胶置于压力容器中加温升压，使凝胶内的液体发生相变成超临界态的流体，气液界面消失，表面张力不复存在，此时将这种超临界流体从压力容器中释放，即可得到多孔、无序、具有纳米量级连续网络结构的低密度气凝胶材料。气凝胶内含大量的空气，典型的孔洞线度在 ll00 纳米范围，孔洞率在 80%以上，是一种具有纳米结构的多孔材料，在力学、声学、热学、光学等诸方面均显示其独特性质。它们明显不同于孔洞结构在微米和毫米量级的多孔材料，其纤细的纳米结构使得材料的热导率极
44、低，具有极大的比表面积对光、声的散射均比传统的多孔性材料小得多，这些独特的性质不仅使得该材料在基础研究中引起人们兴趣，而且在许多领域蕴藏着广泛的应用前景。4作用编辑研究领域在分形结构研究方而。硅气凝胶作为一种结构可控的纳米多孔材料，其表现密度明显依赖于标度尺寸，在一定尺度范围内，其密度往往具有标度不变性，即密度随尺度的增加而下降，而且具有自相似结构，在气凝胶分形结构动力学研究 方面的结构还表明，在不同尺度范围内，有三个色散关系明显不同的激发区域，分别对应于 声子、分形子和粒子模的激发。改变气凝胶的制备条件，可使其关联长度在两个量级的范围内变化。因此硅气凝胶已成为研究分形结构及其动力学行为的最佳
45、 材料。在“863” 高技术强激光研究方面。纳米多孔材料具有重要 应用价值，如利用低于 临界密度的多孔靶材料，可望提高电子碰撞激发产 生的 X 光激光的光束 质量，节约驱动能 ，利用微球形节点结构的新型多孔靶，能够实现等离于体三维绝热膨胀的快速冷却，提高电子复合机制 产生的 x 光激光的增益系数，利用超低密度材料吸附核燃料，可构成激光惯性约束聚变的高增益冷 冻靶。气凝胶纤细的纳米多孔网络结构、巨大的比表面积、结构介观尺度上可控，成为研制新型低密度靶的最佳候选材料。在作为隔热材料方面。硅气凝胶纤细的纳米网络结构有效地限制了局域热激发的传播，其固态热导率比相应的玻璃态材料低 23 个数量级。纳米微
46、孔洞抑制了气体分子对热传导的贡献。硅气凝胶的折射率接近l，而且对红外和可见光的 湮灭系数之比达 100以上，能有效地透过太阳光，并阻止环境温度的红外热辐射，成为一种理想的透明隔热材料，在太阳能利用和建筑 物节能方面已经得到应用。通过掺杂的手段，可进一步降低硅气凝胶的辐射热传导，常温常压下掺碳气凝胶的热导率可低达 0013w/mK ，是目前热导率最低的固态材料，可望替代聚氨脂泡沫成为新型冰箱隔热材料。掺人二氧化钛可使硅气凝胶成为新型高温隔热材料，800K 时的热导率仅为 003w/mK，作为军品配套新材料将得到进一步发展。由于硅气凝胶的低声速特性，它还是一种理想的声学延迟或高温 隔音材料。该材料
47、的声阻抗可变范围较大(103107 kg/m2s)，是一种较理 想的超声探测器的声阻耦合材料，如常用声阻匝 Zp=15l07 kg/m2s 的压电陶瓷作为超声 波的发生器和探测器，而空气的声阻只有 400 kg/m2s。用 厚度为 l/4 波长的硅 气凝胶作为 压电陶瓷与空气的声阻耦合材料可提高声波的传输效率，降低器件应用中的信噪比。初步实验结果表明，密度在 300 kg/m3 左右的 硅气凝胶作为耦合材料，能使声强提高 30 dB，如果采用具有密度梯度的硅气凝胶，可望得到更高的声强增益。在环境保护及化学工业方面。纳米结构的气凝胶还可作为新型气体过滤 ，与其它材料不同的是该材料孔洞大小分布均匀
48、，气孔率高，是一种高效气体过滤材料。由于该材料特别大的比表而积气凝胶在作为新型催化剂或催化剂的 载体方而亦有广阔的应用前景。在储能器件方而。有机气凝胶经过烧结工艺处理后将得 到碳气凝胶 这种导电的多孔材料是继纤维状活性碳以后发展起来的一种新型碳素材料，它具有很大的比表面积(6001000 m2/kg)和高电导率 (1025 s/cm)而目密度变化范围广(0.051.0 g/cm3)如在其微孔洞内充人适当的电解液，可以制成新 型可充电电池，它具有储电容量大、内阻小、重量轻、充放电能力强、可多次重复使用等优异特性，初步实验结果表明：碳气凝胶的充电容量达3104/kg2 ，功率密度为7 kw/kg，
49、反复充放电性能良好。在材料的量子尺寸效应研究方面。由于硅气凝 胶的纳米网络内形成量子点结构，化学气相渗透法掺 Si 及溶液法掺 C60 的结果表明，掺杂剂是以 纳米晶粒的形式存在，并观察到很强的可见光发射，为多孔硅的量子限制效应发光提供了有力证据。利用硅气凝胶的结构以及 C60 的非线性光学效应，可进一步研制新型激光防护镜。通过掺杂的方法还是形成纳米复合相材料的有效手段。此外，硅气凝胶是折射率可调的材料，使用不同密度的气凝胶介质作为切伦柯夫阀值探测器，可确定高能粒子的质量和能量。因高速粒子 很容易穿人多孔材料并逐步减速，实现“软着陆 ”，如选用透明气凝胶在空间捕获高速粒子，可用肉眼或 显微镜观察被阻挡、捕获的粒子。作为一种新型纳米多孔材料，除硅气凝胶外，已研制的还有其它单元、二元或多元氧化物气凝胶、有机气凝胶及碳气凝胶。作为一种独特的材料制备手段，相关的工艺在其它新材料研制中得到广泛应用，如制备气孔率
