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新材料系列——見識“氣凝膠”的神通廣大

2019-08-13 17:12:16 來源：塑料機械網(wǎng)整理發(fā)布 閱讀量：27047 評論
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導(dǎo)讀：氣凝膠究竟是何方神圣呢？

　　【塑料機械網(wǎng) 科技創(chuàng)新】7月中旬，由哈佛大學(xué)、愛丁堡大學(xué)以及美國航天航空局噴氣推進實驗室的研究人員共同組成的科研小組公布了一個新設(shè)想——在火星上的部分地區(qū)搭建一個氣凝膠保護罩，實現(xiàn)人類移民火星。
 
　　據(jù)現(xiàn)有的資料可知，火星是一顆沙漠行星，可利用的水不多，大氣以二氧化碳為主，表面平均氣溫在﹣55℃左右。氣候如此惡劣，單憑一層薄薄的氣凝膠就能改善，未免讓人覺得聳人聽聞，那么氣凝膠究竟是何方神圣呢？
 
　　氣凝膠又叫干凝膠，也被稱為藍煙或凍結(jié)的煙，具有超輕質(zhì)、極低熱導(dǎo)率、高熱穩(wěn)定性、高吸附性、高吸能、隔音等特性，還具有膨脹作用、觸變作用、離漿作用，這使其不僅具有良好的延展性，還擁有透氣、防火、吸收油和水的優(yōu)良性質(zhì)。
 
　　氣凝膠有很多種類，如：硅系氣凝膠、碳系氣凝膠、硫系氣凝膠等，其中常見的是二氧化硅氣凝膠。氣凝膠通常有四種分類方式: 從外觀特點可以被劃分為塊狀、粉狀以及薄膜狀氣凝膠；從制備方法可被劃分為氣凝膠、干凝膠和凍凝膠；從不同的微結(jié)構(gòu)可以被劃分為微孔、介孔以及混合孔洞氣凝膠。氣凝膠也是目前世界上密度小的固體，并已入選吉尼斯世界記錄中輕的一類物質(zhì)。由于氣凝膠中80%以上都是空氣，因此在隔熱方面有不俗表現(xiàn)。
 
　　氣凝膠的應(yīng)用
 
　　當(dāng)前氣凝膠的產(chǎn)品形態(tài)主要有氈、板、布、紙、顆粒、粉末和異形件等，其中，大部分的產(chǎn)品是具有保溫功能的氣凝膠產(chǎn)品。憑借一系列優(yōu)越性能，氣凝膠在科研領(lǐng)域的研究范圍不斷擴大，與此相對應(yīng)的，實際應(yīng)用成功案例也逐步增多，在軍用和民用領(lǐng)域都有非常良好的表現(xiàn)，并且在多行業(yè)領(lǐng)域中表現(xiàn)不俗。
 
　　·航空航天及軍工領(lǐng)域
 
　　氣凝膠作為一種的輕質(zhì)隔熱保溫材料，在航空航天領(lǐng)域大受青睞。
 
　　據(jù)悉，在我國“長征五號”運載火箭上，就搭載了由我國自主研制的高性能納米氣凝膠隔熱氈，為其燃?xì)夤苈废到y(tǒng)提供隔熱保溫功能；美國在“火星漫步者”探測車的電路中使用了氣凝膠材料進行保護，以及“星辰號”飛船用來收集彗星塵也使用了氣凝膠做的采集“手套”。
 
　　此外氣凝膠的吸能特性也使其在戰(zhàn)場和其他復(fù)雜環(huán)境下的表現(xiàn)與目前應(yīng)用的特種材料相比擁有更多優(yōu)勢。
 
　　防彈型氣凝膠在軍車上的應(yīng)用讓我們看到氣凝膠在戰(zhàn)爭中的另一應(yīng)用前景，據(jù)悉，只要在金屬片上加約6毫米的氣凝膠，就能夠承受炸藥帶來的破壞力；在水下探測領(lǐng)域，氣凝膠的低聲速特性和高孔隙超輕質(zhì)特點也使之成為比較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料和佳水聲反聲材料。
 
　　·電池
 
　　擁有保溫效果的氣凝膠，也是導(dǎo)熱系數(shù)低的固體材料，同時憑借其極強的阻燃性，在電池領(lǐng)域我們也能見到氣凝膠的身影。
 
　　鋰離子動力電池組熱失控事故時有發(fā)生，提高熱失控電芯向電池其他系統(tǒng)傳熱的熱阻來阻礙熱失控蔓延是一種有效方法。氣凝膠氈具有防火、隔熱、阻燃的特性，而且質(zhì)感柔軟、易于加工，是非常理想的預(yù)防材料；另外在熱電池應(yīng)用領(lǐng)域，氣凝膠作為熱電池保溫筒的隔熱材料能夠解決多領(lǐng)域?qū)犭姵氐母咝阅?、長壽命的要求。
 
　　·紡織
 
　　氣凝膠應(yīng)用于紡織領(lǐng)域已經(jīng)屢見不鮮，也是作為普通人的我們?nèi)菀捉佑|到的。
 
　　隨著戶外運動的興起，氣凝膠材料在運動服上的優(yōu)勢盡顯，例如在戶外運動中登山防寒服飾的應(yīng)用，以極輕巧的穿著感打破以往防護服臃腫沉重的歷史，為運動愛好者們打開新世界的大門；2018年10月9日，Supield素湃科技?xì)饽z衣甫一上線就迅速積累資金逾600萬，群眾對于氣凝膠涉獵日?？纱┲谋Ｅ椘诖狄卜浅８?，這種服飾使用了紡織專用的氣凝膠復(fù)合保暖材料，對服裝材料界也贏得了更多關(guān)注；此外在消防員外套制服的制作上，氣凝膠制成的保護性隔熱材料取得了非常好的效果，對高溫的隔絕也降低了消防員受傷危險。
 
　　·建筑
 
　　氣凝膠具有良好的防火、保溫、隔熱、隔聲等功能，為建筑領(lǐng)域掀起一場新的革命。
 
　　氣凝膠可以作為墻體保溫系統(tǒng)中現(xiàn)有保溫材料的合理替代，能夠應(yīng)用于保溫砂漿、保溫裝飾一體化板、墻體夾心保溫等方面；氣凝膠玻璃具有防火和吸能特性，不僅可以改善玻璃遇火爆炸、抗風(fēng)壓差等問題，還可以平衡室內(nèi)溫度。
 
　　我國氣凝膠的研發(fā)
 
　　現(xiàn)在各國都在深耕對氣凝膠的研究開發(fā)，其中中國和美國是目前氣凝膠科研、生產(chǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域的主要國家。我國近年來不斷傳出喜訊，對氣凝膠材料的開發(fā)正如火如荼開展：
 
　　中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張學(xué)同領(lǐng)導(dǎo)的氣凝膠團隊與德國科學(xué)家合作，成功制備得到超柔性氮化硼納米帶氣凝膠，并實現(xiàn)了氣凝膠材料在-196°C~1000°C溫度范圍內(nèi)及不同載荷沖擊形式下的柔性保持；
 
　　華南理工大學(xué)以MXene (Ti3C2)納米片為骨架材料、細(xì)菌纖維素(Bacterial Cellulose; BC)為納米連接材料制備了一種新型的彈性碳?xì)饽z。該碳?xì)饽z具有超高的可壓縮性、彈性與抗疲勞性，而且具有寬范圍線性靈敏度和對微小形變、微小壓力的超高檢測能力。將該碳?xì)饽z組裝成簡易電子器件后，可實現(xiàn)對聲帶發(fā)聲、關(guān)節(jié)活動和脈搏跳動等人體生物信號的靈敏檢測，顯示了在壓力傳感、可穿戴電子器件等方面具有重要的應(yīng)用價值；
 
　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授課題組以殼聚糖作三維軟模板，成功研制了具有雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的PFR/SiO2復(fù)合氣凝膠材料。這種復(fù)合氣凝膠可以承受60%的壓縮而不破裂，具有一定的機械強度和可加工性。獨特的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予了氣凝膠優(yōu)異的防火阻燃性，且燃燒后殘留物質(zhì)會附著在氣凝膠表面不脫落，仍然有隔熱效果；
 
　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團隊研發(fā)出一種新型陶瓷氣凝膠，它超輕且極其耐用，為未來解決陶瓷超輕結(jié)構(gòu)的脆性問題和受熱析晶問題提供了研究思路；
 
　　同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院納米多孔材料課題組通過模仿北極熊毛發(fā)的膜孔結(jié)構(gòu)，采用化學(xué)氣相沉積法和煅燒工藝，獲得了新型二氧化硅納米管氣凝膠。
 
　　結(jié)語：氣凝膠的優(yōu)良特性和多領(lǐng)域應(yīng)用前景預(yù)示著未來氣凝膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展走勢，未來在世界范圍內(nèi)對氣凝膠新材質(zhì)的研產(chǎn)活動還將持續(xù)推進。
 
　　資料參考：中國保溫網(wǎng)、中國化工報、百度百科、中國氣凝膠、樂晴智庫

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