纖維氣凝膠材料介紹

2015年1月，東華大學俞建勇院士、丁彬教授帶領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)表在國際權威雜志《自然-通訊》雜志上，東華大學為唯一署名單位。

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，成為當時世界上最輕固體材料。2012年，德國科學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%。它的導熱系數(shù)低至0.026W/ m·k，幾乎接近于空氣的導熱系數(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)的海上石油污染災害提供新的解決途徑。除了上述應用，這種超輕的“纖維氣凝膠”材料還可應用于組織工程、電子器件等領域。 2100433B

氣凝膠研究領域

在分形結構研究方面。硅氣凝膠作為一種結構可控的納米多孔材料，其表現(xiàn)密度明顯依賴于標度尺寸，在一定尺度范圍內(nèi)，其密度往往具有標度不變性，即密度隨尺度的增加而下降，而且具有自相似結構，在氣凝膠分形結構動力學研究方面的結構還表明，在不同尺度范圍內(nèi)，有三個色散關系明顯不同的激發(fā)區(qū)域，分別對應于聲子、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構及其動力學行為的最佳材料。

1、在“863”高技術強激光研究方面

納米多孔材料具有重要應用價值，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)約驅動能，利用微球形節(jié)點結構的新型多孔靶，能夠實現(xiàn)等離于體三維絕熱膨脹的快速冷卻，提高電子復合機制 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)絡結構、巨大的比表面積、結構介觀尺度上可控，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)絡結構有效地限制了局域熱激發(fā)的傳播，其固態(tài)熱導率比相應的玻璃態(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)得到應用。通過摻雜的手段，可進一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導，常溫常壓下?lián)教細饽z的熱導率可低達0．013w/m·K，是熱導率最低的固態(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，降低器件應用中的信噪比。初步實驗結果表明，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)境保護及化學工業(yè)方面。納米結構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用前景。

3、在儲能器件方面

有機氣凝膠經(jīng)過燒結工藝處理后將得到碳氣凝膠 這種導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?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、可多次重復使用等優(yōu)異特性，初步實驗結果表明：碳氣凝膠的充電容量達3×104/kg2，功率密度為7 kw/kg，反復充放電性能良好。

在材料的量子尺寸效應研究方面。由于硅氣凝膠的納米網(wǎng)絡內(nèi)形成量子點結構，化學氣相滲透法摻Si及溶液法摻C60的結果表明，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發(fā)光提供了有力證據(jù)。利用硅氣凝膠的結構以及C60的非線性光學效應，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，相關的工藝在其它新材料研制中得到廣泛應用，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、高溫超導材料、超細陶瓷粉末等。

氣凝膠研究單位

2013年國際上關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、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波爾固體物理實驗室、國防科技大學、清華大學、浙江大學、哈爾濱工業(yè)大學、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)災難

環(huán)保是新型氣凝膠的第三個重要作用?？茖W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)這位科學家稱，這種氣凝膠是處理生態(tài)災難的絕好材料，比如說1996年“海上快車”油輪沉沒后，72000噸原油外泄，如果當時用上這種材料的話，那么就不會導致整個海岸受到嚴重的污染。

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。