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白銀氣凝膠現(xiàn)在是一種炙手可熱的新材料

文章出處:本站    人氣:39307    發(fā)表時間:2019-11-01 14:29:46

在人類的發(fā)明史上,有許多發(fā)明的誕生具偶然性。氣凝膠就是美國人基斯特勒受果凍的啟發(fā)而發(fā)明出來的。氣凝膠現(xiàn)在是種炙手可熱的新材料,被譽為“改變的十大神奇材料”之。

次“打賭”催生出氣凝膠

基斯特勒系美國科學(xué)家、發(fā)明家、化學(xué)工程師、教育學(xué)家。他的興趣十分廣泛,生成果頗豐,僅取得的就有60多項,其中對后世產(chǎn)生重要影響的要數(shù)氣凝膠了。

說起果凍,人們都不會陌生。基斯特勒關(guān)注果凍的視角非常特別,他想到這樣個問題:既然果凍的主要成分為水,含量可高達(dá)99.5%,那么為什么其中的水不會析出呢?

果凍其實是種水凝膠。所謂凝膠,是指溶膠失去流動性后變成的種富含液體的半固態(tài)物質(zhì)?;固乩照J(rèn)為,定存在著許多無形的“容器”,把水分困在其中,這種特殊的“容器”是由明膠分子組成的立體網(wǎng)格。但問題是,由明膠分子組成的立體網(wǎng)格怎么能兜住那么多的水?原來,果凍網(wǎng)格內(nèi)的水分子是由表面張力拉住的,并且這種表面張力的大小,正好讓水既無法掙脫又可以晃動,這樣才有了果凍顫巍巍的質(zhì)感。

1931年,基斯特勒和他的同事查爾斯打了次“賭”,看誰能用氣體把果凍罐里的液體給換掉,而又不能導(dǎo)致凝膠的結(jié)構(gòu)崩潰。這看似個漫不經(jīng)心的科技笑談,實際上卻是對他們天才思想的考驗。在當(dāng)時的科技條件下,他們是如何實現(xiàn)科技突破的呢?基斯特勒先要做的就是弄清楚凝膠的網(wǎng)格與其中的水是不是個整體,也就是說把液體拿走了凝膠的立體網(wǎng)格會不會被破壞?為此,基斯特勒進(jìn)行了系列的實驗。

實驗證明,果凍內(nèi)的液體是連成體的,并且可以被替換成其他液體。這說明果凍內(nèi)的網(wǎng)格與液體可能是相互立的。下面的問題就是如何用氣體換掉果凍里的液體了。用蒸發(fā)的辦法去除果凍里的液體顯然是不可行的,因為蒸發(fā)定會導(dǎo)致凝膠網(wǎng)格的破壞?;固乩盏耐粐呤浅R界干燥法。超臨界干燥法是指通過壓力和溫度條件的控制,讓液體在臨界溫度之上完成從液相至氣相的轉(zhuǎn)變,并依靠壓力作用來抑制氣相的逸散。

不過,基斯特勒總感覺用明膠做成的氣凝膠太過脆弱,可能不會有什么應(yīng)用前景。于是,基斯特勒選擇硅膠作為實驗對象,利用超臨界干燥法去除了硅膠中的液體成分,從而成功地制成了上第個真正意義上的氣凝膠。這種二氧化硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)中,98%是空氣。此后,基斯特勒又成功制備了氧化鋁、氧化鎢、氧化鐵、氧化錫、酒石酸鎳、明膠、瓊脂、橡膠等氣凝膠。

“固態(tài)的煙”

氣凝膠是當(dāng)今已知的輕的固體材料,以超高的比表面積和低的導(dǎo)熱系數(shù)而聞名。氣凝膠的比表面積可高達(dá)1000平方米/克;氣凝膠的密度可低至0.003克/立方厘米;氣凝膠的隔熱性能良,1寸厚的摻入部分碳元素的硅膠相當(dāng)于二三十塊普通玻璃的隔熱性能。

氣凝膠之所以具有如此神奇的性能,就在于氣凝膠中大部分成分為氣體。這使得氣凝膠看上去呈云霧狀,又被稱為“固態(tài)的煙”“固態(tài)云”。我們知道,空氣為熱的不良導(dǎo)體,因此氣凝膠是良的熱傳導(dǎo)隔材料(金屬凝膠除外)。般來說,熱量的傳遞有熱傳導(dǎo)、對流和輻射三種途徑,而氣凝膠幾乎能阻止熱傳遞的所有途徑,從而達(dá)到其他材料無法比擬的熱效果。

生不逢時的氣凝膠

然而,基斯特勒的天才發(fā)明在當(dāng)時并沒有引起人們的重視,因為這種材料的造價太過昂貴并且非常易碎,以致不得不沉睡在實驗室里。慢慢地,這種超級材料就被人們淡忘了。

可是,有個人始終沒有忘。這個人就是它的發(fā)明人基斯特勒,他總感覺如此奇妙的材料在未來應(yīng)該占有席之地。他把氣凝膠的權(quán)授給了美國的孟山都公司,于1948年完成了種粉狀的二氧化硅氣凝膠的開發(fā),并將其命名為山都膠。在當(dāng)時,氣凝膠主要是用作化妝品及牙膏中的添加劑或觸變劑,也可用作油漆的增稠劑等。后來,山都膠還被用于墨水和涂料等行業(yè),主要是利用氣凝膠的散光性而使墨水和涂料產(chǎn)生種霧面的效果。山都膠還曾被用來充當(dāng)綿羊用防蠅膏的增稠劑以及凝固汽油彈的乳化劑。

個史上出色的熱材料,生下來就被邊緣化了。氣凝膠的命運陷入了低谷,生不逢時的氣凝膠終于被孟山都公司停產(chǎn)了?;固乩沼?975年去世,終沒有機(jī)會看到氣凝膠的出頭之日。

氣凝膠的峰回路轉(zhuǎn)

到了20世紀(jì)70年代后期,法國科學(xué)家泰希納等人在尋求種能儲存氧氣及火箭燃料的多孔材料的過程中,發(fā)展了氣凝膠的制備技術(shù)。由于找到了種更好的二氧化硅氣凝膠合成工藝,從而使得氣凝膠科學(xué)向前跨越了大步.

到了20世紀(jì)90年代,由于有機(jī)氣凝膠和碳?xì)饽z的誕生,以及德國科學(xué)家對氣凝膠在力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)等方面的深入研究,為氣凝膠的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。特別是美國航空航天局(NASA)對氣凝膠的青睞,讓氣凝膠的發(fā)展迎來了個新的機(jī)遇。

1997年,氣凝膠次被應(yīng)用于“火星探路者”號探測器上,成為宇宙飛船的標(biāo)準(zhǔn)熱材料。1999年,種塞滿氣凝膠的“棒球手套”搭乘“星塵”號探測器升空,主要任務(wù)就是捕捉來自彗星尾部的塵埃。2006年,該探測器完成任務(wù)返回地球,次為人類帶回了彗星及星際塵埃粒子的樣本。這些塵埃粒子可能攜帶有46億年前太陽系誕生時為原始的信息。2002年,NASA旗下的阿斯彭氣凝膠公司開發(fā)了種新型氣凝膠,有望為人類登陸火星研制種具有保溫隔熱功能的宇航服襯里。據(jù)說,宇航服涂上層18毫米厚的這種氣凝膠之后,宇航員便能抵御零下130℃的低溫。

炙手可熱的新材料

由于氣凝膠具有低的密度、高比表面積和高孔隙率,從而表現(xiàn)出特的光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)以及電學(xué)性能,使其在航空航天、國防軍工、節(jié)能環(huán)保、石油化工等域具有廣泛的應(yīng)用。上的許多競相開發(fā)新型氣凝膠材料,使得氣凝膠已發(fā)展成為個龐大的家族,如硅氣凝膠、碳?xì)饽z、硫氣凝膠、金屬氣凝膠和氧化物氣凝膠等。

在航空航天和國防軍工域,氣凝膠的應(yīng)用具有大的勢。氣凝膠保溫材料可作為飛機(jī)機(jī)艙的隔熱層材料,也可作為核潛艇、蒸汽動力導(dǎo)彈驅(qū)逐艦的核反應(yīng)堆、蒸發(fā)器、鍋爐以及復(fù)雜的高溫蒸汽管路系統(tǒng)的高效隔熱材料,可以增強(qiáng)隔熱效果,降低艙內(nèi)溫度,增大艙內(nèi)的使用空間。

2016年11月3日,我國新代大運力運載火箭“長征”五號在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功飛,氣凝膠新材料就發(fā)揮了重要作用:我國研發(fā)的高性能納米氣凝膠隔熱氈為火箭燃?xì)夤苈废到y(tǒng)提供了有效的隔熱保溫手段。2017年4月26日,

“天舟”號貨運飛船升空時搭載了個用于物資保存的低溫鎖柜,打造這個太空“冰箱”的隔熱保溫材料的主角同樣是氣凝膠。

在建筑域,氣凝膠的隔熱、阻燃、疏水、隔音、減震、環(huán)保等勢,非常適合于用作建筑節(jié)能墻體材料。在消防域,應(yīng)用氣凝膠材料可以大幅降低消防衣物器材的重量和體積,延長消防員在火場中的工作時間。在家電域,應(yīng)用氣凝膠材料可以縮小家電體積,提高節(jié)能效果和保障性能。在石油化工域,應(yīng)用氣凝膠材料可有效減少外保溫層的用量,并且由于具有佳的憎水性而不會腐蝕保溫管道,從而可以降低后期的維護(hù)費用。將氣凝膠保溫氈應(yīng)用于稠油高溫注汽開采管道保溫和煉化裝置介質(zhì)管線的保溫,可有效減少施工對象的體積,從而顯著提高管道的排布率。

在城市集中供熱中,做好保溫工作對保證供熱質(zhì)量,實現(xiàn)節(jié)能減排都具有重要的意義。氣凝膠直埋保溫管可廣泛應(yīng)用于城市集中供熱的管道保溫,具有十分突出的點。如氣凝膠直埋保溫管保溫性能好,熱損失僅為傳統(tǒng)管材的25%。氣凝膠直埋保溫管占地少,施工快,有利于環(huán)境保護(hù),并且使用壽命可達(dá)20年。

在電力儲能域,氣凝膠保溫材料也有用武之地。如在火力發(fā)電廠的能量轉(zhuǎn)換過程中,應(yīng)用氣凝膠保溫材料可有效降低熱能的損失,從而提高熱源的利用效率。

我國的氣凝膠研究起步較晚,但發(fā)展速度很快,取得了系列重要成果,有些甚至走在了的前列。2018年9月1日實施的《納米孔氣凝膠復(fù)合熱制品》標(biāo)準(zhǔn),是我國第個關(guān)于氣凝膠材料的標(biāo)準(zhǔn),必將為推動我國的氣凝膠產(chǎn)業(yè)化發(fā)揮積的作用。


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