纖維氣凝膠

氣凝膠是一種超輕質(zhì)的固體材料，其內(nèi)部98%以上是空氣。1999年，美國航空航天局研制出了密度為3毫克每立方厘米的二氧化硅氣凝膠，成為當(dāng)時世界上最輕固體材料。2012年，德國科學(xué)家制造了一種更輕的 “石墨氣凝膠”，其密度為0.18毫克每立方厘米。2013年，浙江大學(xué)研制的“全碳氣凝膠”密度為0.16毫克每立方厘米，創(chuàng)造了一個新的記錄。而此次東華大學(xué)研發(fā)的0.12毫克每立方厘米“纖維氣凝膠”，成功刷新了“世界最輕材料”的記錄。

“纖維氣凝膠”不僅超輕，其壓縮回彈性能也十分優(yōu)異，相比于傳統(tǒng)的碳氣凝膠，其壓縮回彈性提升了110%。它的導(dǎo)熱系數(shù)低至0.026W/ m·k，幾乎接近于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)。一塊5毫米的“纖維氣凝膠”可以輕松實現(xiàn)在100-6300Hz寬頻段內(nèi)的高效吸音；此外，纖維氣凝膠還是一種高性能的吸附材料，可快速吸附自身重量200倍以上的液體污染物，有望為近年來頻發(fā)的海上石油污染災(zāi)害提供新的解決途徑。除了上述應(yīng)用，這種超輕的“纖維氣凝膠”材料還可應(yīng)用于組織工程、電子器件等領(lǐng)域。 2100433B

2015年1月，東華大學(xué)俞建勇院士、丁彬教授帶領(lǐng)的納米纖維研究團隊在超輕纖維材料研究上獲新成果，成果論文以“Ultralight nanofiber-assembled cellular aerogels with superelasticity and multifunctionality”為題發(fā)表在國際權(quán)威雜志《自然-通訊》雜志上，東華大學(xué)為唯一署名單位。

他們利用普通纖維膜材料開發(fā)出了一種超輕、超彈的纖維氣凝膠，經(jīng)中國計量認證結(jié)果顯示，這種纖維氣凝膠的固態(tài)材料密度僅為0.12毫克每立方厘米，一塊體積為20立方厘米的“纖維氣凝膠”可以輕松的“踩”在羽絨的幾根絨毛上。

氣凝膠研究領(lǐng)域

在分形結(jié)構(gòu)研究方面。硅氣凝膠作為一種結(jié)構(gòu)可控的納米多孔材料，其表現(xiàn)密度明顯依賴于標(biāo)度尺寸，在一定尺度范圍內(nèi)，其密度往往具有標(biāo)度不變性，即密度隨尺度的增加而下降，而且具有自相似結(jié)構(gòu)，在氣凝膠分形結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究方面的結(jié)構(gòu)還表明，在不同尺度范圍內(nèi)，有三個色散關(guān)系明顯不同的激發(fā)區(qū)域，分別對應(yīng)于聲子、分形子和粒子模的激發(fā)。改變氣凝膠的制備條件，可使其關(guān)聯(lián)長度在兩個量級的范圍內(nèi)變化。因此硅氣凝膠已成為研究分形結(jié)構(gòu)及其動力學(xué)行為的最佳材料。

1、在“863”高技術(shù)強激光研究方面

納米多孔材料具有重要應(yīng)用價值，如利用低于臨界密度的多孔靶材料，可望提高電子碰撞激發(fā)產(chǎn)生的X光激光的光束質(zhì)量，節(jié)約驅(qū)動能，利用微球形節(jié)點結(jié)構(gòu)的新型多孔靶，能夠?qū)崿F(xiàn)等離于體三維絕熱膨脹的快速冷卻，提高電子復(fù)合機制 產(chǎn)生的x光激光的增益系數(shù)，利用超低密度材料吸附核燃料，可構(gòu)成激光慣性約束聚變的高增益冷凍靶。氣凝膠纖細的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、結(jié)構(gòu)介觀尺度上可控，成為研制新型低密度靶的最佳候選材料。

2、在作為隔熱材料方面

硅氣凝膠纖細的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效地限制了局域熱激發(fā)的傳播，其固態(tài)熱導(dǎo)率比相應(yīng)的玻璃態(tài)材料低2—3個數(shù)量級。納米微孔洞抑制了氣體分子對熱傳導(dǎo)的貢獻。硅氣凝膠的折射率接近l，而且對紅外和可見光的湮滅系數(shù)之比達100以上，能有效地透過太陽光，并阻止環(huán)境溫度的紅外熱輻射，成為一種理想的透明隔熱材料，在太陽能利用和建筑物節(jié)能方面已經(jīng)得到應(yīng)用。通過摻雜的手段，可進一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導(dǎo)，常溫常壓下?lián)教細饽z的熱導(dǎo)率可低達0．013w/m·K，是熱導(dǎo)率最低的固態(tài)材料，可望替代聚氨脂泡沫成為新型冰箱隔熱材料。摻入二氧化鈦可使硅氣凝膠成為新型高溫隔熱材料，800K時的熱導(dǎo)率僅為0．03w/m·K，作為軍品配套新材料將得到進一步發(fā)展。

由于硅氣凝膠的低聲速特性，它還是一種理想的聲學(xué)延遲或高溫隔音材料。該材料的聲阻抗可變范圍較大(103—107 kg/m2·s)，是一種較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料，如常用聲阻匝Zp=1．5×l07 kg/m2·s的壓電陶瓷作為超聲波的發(fā)生器和探測器，而空氣的聲阻只有400 kg/m2·s。用厚度為l/4波長的硅氣凝膠作為壓電陶瓷與空氣的聲阻耦合材料．可提高聲波的傳輸效率，降低器件應(yīng)用中的信噪比。初步實驗結(jié)果表明，密度在300 kg/m3左右的硅氣凝膠作為耦合材料，能使聲強提高30 dB，如果采用具有密度梯度的硅氣凝膠，可望得到更高的聲強增益。

在環(huán)境保護及化學(xué)工業(yè)方面。納米結(jié)構(gòu)的氣凝膠還可作為新型氣體過濾 ，與其它材料不同的是該材料孔洞大小分布均勻，氣孔率高，是一種高效氣體過濾材料。由于該材料特別大的比表而積．氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方而亦有廣闊的應(yīng)用前景。

3、在儲能器件方面

有機氣凝膠經(jīng)過燒結(jié)工藝處理后將得到碳氣凝膠 這種導(dǎo)電的多孔材料是繼纖維狀活性碳以后發(fā)展起來的一種新型碳素材料，它具有很大的比表面積(600—1000 m2/g)和高電導(dǎo)率(10—25 s/cm)．而且，密度變化范圍廣(0.05—1.0 g/cm3)．如在其微孔洞內(nèi)充入適當(dāng)?shù)碾娊庖?，可以制成新型可充電電池，它具有儲電容量大、?nèi)阻小、重量輕、充放電能力強、可多次重復(fù)使用等優(yōu)異特性，初步實驗結(jié)果表明：碳氣凝膠的充電容量達3×104/kg2，功率密度為7 kw/kg，反復(fù)充放電性能良好。

在材料的量子尺寸效應(yīng)研究方面。由于硅氣凝膠的納米網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成量子點結(jié)構(gòu)，化學(xué)氣相滲透法摻Si及溶液法摻C60的結(jié)果表明，摻雜劑是以納米晶粒的形式存在，并觀察到很強的可見光發(fā)射，為多孔硅的量子限制效應(yīng)發(fā)光提供了有力證據(jù)。利用硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)以及C60的非線性光學(xué)效應(yīng)，可進一步研制新型激光防護鏡。通過摻雜的方法還是形成納米復(fù)合相材料的有效手段。

此外，硅氣凝膠是折射率可調(diào)的材料，使用不同密度的氣凝膠介質(zhì)作為切倫柯夫閥值探測器，可確定高能粒子的質(zhì)量和能量。因高速粒子很容易穿入多孔材料并逐步減速，實現(xiàn)“軟著陸”，如選用透明氣凝膠在空間捕獲高速粒子，可用肉眼或顯微鏡觀察被阻擋、捕獲的粒子。

作為一種新型納米多孔材料，除硅氣凝膠外，已研制的還有其它單元、二元或多元氧化物氣凝膠、有機氣凝膠及碳氣凝膠。作為一種獨特的材料制備手段，相關(guān)的工藝在其它新材料研制中得到廣泛應(yīng)用，如制備氣孔率極高的多孔硅、制備高性能催化劑的金屬—氣凝膠混合材料、高溫超導(dǎo)材料、超細陶瓷粉末等。

氣凝膠研究單位

2013年國際上關(guān)于氣凝膠材料的研究工作主要集中在德國的維爾茨堡大學(xué)、BASF公司、美國的勞倫茲·利物莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室，法國的蒙彼利埃材料研究中心，日本高能物理國家實驗室等。國內(nèi)主要集中在同濟大學(xué)波爾固體物理實驗室、國防科技大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、納諾科技有限公司及廣東埃力生高新科技有限公司。

氣凝膠其他用途

1、制作火星探險宇航服

2002年，美國宇航局成立了一家公司，專門生產(chǎn)更結(jié)實更有韌性的氣凝膠。美國宇航局2013年已經(jīng)確定，在2018年火星探險時，宇航員們將穿上用新型氣凝膠制造的宇航服。該公司的資深科學(xué)家馬克·克拉杰沃斯基說，只要在宇航服中加入一個18毫米厚的氣凝膠層，那么它就能幫助宇航員扛住1300℃的高溫和零下130℃的超低溫?！斑@是我見過的最有效的恒溫材料?！瘪R克如是說。

2、防彈不怕被炸

防彈是新型氣凝膠的第二個重要用途。美國宇航局的這家公司正在對用氣凝膠建造的住所和軍車進行測試。根據(jù)試驗室的試驗情況來看，如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠，那么，就算炸藥直接炸中，對金屬片也分毫無傷。

3、可處理生態(tài)災(zāi)難

環(huán)保是新型氣凝膠的第三個重要作用?？茖W(xué)家們將氣凝膠親切地稱為“超級海綿”，因為其表面有成百上千萬的小孔，所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。美國科學(xué)家新發(fā)明的氣凝膠居然能吸出水中的鉛和水銀。據(jù)這位科學(xué)家稱，這種氣凝膠是處理生態(tài)災(zāi)難的絕好材料，比如說1996年“海上快車”油輪沉沒后，72000噸原油外泄，如果當(dāng)時用上這種材料的話，那么就不會導(dǎo)致整個海岸受到嚴(yán)重的污染。

4、網(wǎng)球拍擊球能力更強

新型氣凝膠也將步入我們每個人的未來日常生活。比如說美國的Dunlop體育器材公司已經(jīng)成功研發(fā)了含有氣凝膠的網(wǎng)球拍。這種網(wǎng)球拍據(jù)說擊球的能力更強；2012年年初，66歲的鮑博·斯托克成為第一個將氣凝膠用于住房的英國人：“保溫加熱的效果非常好，我將空調(diào)的溫度下降了5℃，結(jié)果室內(nèi)的溫度仍然非常舒適?！钡巧秸咭矊饽z的運用充滿了希望。英國登山家安尼·帕爾門特2011年登珠峰時所穿的鞋子就是使用了部分氣凝膠材料，他的睡袋里也有一層這種新材料。