新型硅基氣凝膠復合材料圖書目錄

作者:劉洪麗、李洪彥 著

出版日期:2018年1月

書號:978-7-122-30823-8

開本:B5 710×1000 1/16

裝幀:平

版次:1版1次

頁數(shù):156頁

第1章緒論1

1.1硅基氣凝膠材料的結構與特點1

1.1.1氣凝膠的研究現(xiàn)狀及進展1

1.1.2氣凝膠的種類2

1.1.3氣凝膠的制備及機理3

1.1.4有機氣凝膠的形成機理3

1.2硅基氣凝膠材料的制備方法4

1.2.1溶膠-凝膠化學6

1.2.2干燥方法8

1.3硅基氣凝膠材料的增強方法11

1.3.1氣凝膠骨架增強11

1.3.2聚合物增強二氧化硅氣凝膠18

1.3.3纖維增強二氧化硅氣凝膠24

1.3.4氣凝膠材料增強的發(fā)展趨勢27

第2章溶膠-凝膠法制備硅基氣凝膠材料28

2.1二氧化硅氣凝膠28

2.2二氧化硅基增強氣凝膠材料30

2.2.1引言30

2.2.2具有靜電吸引相界面的聚合物增強氣凝膠材料的制備31

2.2.3具有靜電吸引相界面的聚合物增強氣凝膠材料的性能表征32

2.2.4具有靜電吸引相界面的聚合物增強氣凝膠材料的孔結構42

2.2.5具有靜電吸引相界面的聚合物增強氣凝膠材料的熱穩(wěn)定性47

2.3埃洛石纖維增強二氧化硅氣凝膠材料55

2.3.1埃洛石納米管結構特點55

2.3.2溫度對凝膠時間的影響56

2.3.3樣品收縮率測定57

2.3.4比表面積及孔徑比分析58

2.3.5微觀形貌分析59

第3章前驅體轉化法制備硅基氣凝膠復合材料62

3.1概述62

3.1.1前驅體轉化法62

3.1.2前驅體聚合物63

3.2聚硅氧烷陶瓷前驅體氣凝膠及Si-C-O陶瓷氣凝膠65

3.2.1制備原料65

3.2.2制備方法65

3.2.3交聯(lián)聚硅氧烷氣凝膠的形成和微觀形貌66

3.2.4交聯(lián)聚硅氧烷氣凝膠的比表面積和孔結構67

3.2.5交聯(lián)聚硅氧烷氣凝膠的疏水性68

3.2.6交聯(lián)聚硅氧烷氣凝膠的熱穩(wěn)定性70

3.2.7不同溫度熱處理的聚硅氧烷氣凝膠的紅外譜圖71

3.3聚硅氮烷陶瓷前驅體氣凝膠及Si-C-N陶瓷氣凝膠72

3.3.1引言72

3.3.2制備方法73

3.3.3溶劑濃度對聚硅氮烷氣凝膠的表觀性狀和微觀形貌的影響74

3.3.4交聯(lián)聚硅氮烷氣凝膠的比表面積和孔結構76

3.3.5Si-C-N陶瓷氣凝膠的吸附性能79

3.4聚硼硅氮烷陶瓷前驅體氣凝膠及Si-B-C-N陶瓷氣凝膠81

3.4.1引言81

3.4.2制備方法82

3.4.3溶劑濃度對聚硼硅氮烷陶瓷前驅體氣凝膠的表觀性狀和微觀形貌的影響83

3.4.4聚硼硅氮烷陶瓷前驅體氣凝膠的比表面積和孔結構85

3.4.5聚硼硅氮烷陶瓷前驅體氣凝膠陶瓷化轉變過程86

第4章前驅體轉化法制備雜化硅基氣凝膠復合材料91

4.1概述91

4.2含鈦聚硅碳烷前驅體氣凝膠與SiC-TiO2陶瓷氣凝膠92

4.2.1引言92

4.2.2制備方法92

4.2.3超臨界干燥溫度和壓力對氣凝膠孔隙性能的影響94

4.2.4含鈦聚碳硅烷氣凝膠的裂解過程96

4.3含鈦聚硅氮烷前驅體氣凝膠與SiCN-TiO2陶瓷氣凝膠100

4.3.1引言100

4.3.2制備方法101

4.3.3含鈦聚硅氮烷氣凝膠的形成過程103

4.3.4含鈦聚硅氮烷氣凝膠的微觀形貌104

4.3.5含鈦聚硅氮烷氣凝膠的比表面積和孔結構105

4.3.6含鈦聚硅氮烷氣凝膠陶瓷化轉變過程106

4.4含鋯聚碳硅烷前驅體氣凝膠與SiC-ZrO2陶瓷氣凝膠109

4.4.1引言109

4.4.2制備方法110

4.4.3含鋯聚碳硅烷氣凝膠的形成過程111

4.4.4含鋯聚碳硅烷氣凝膠的微觀形貌113

4.4.5含鋯聚碳硅烷氣凝膠的比表面積和孔結構114

4.4.6含鋯聚碳硅烷氣凝膠陶瓷化轉變過程115

4.5含鋯聚硅氮烷前驅體氣凝膠與Si-C-N-ZrO2陶瓷氣凝膠118

4.5.1引言118

4.5.2制備方法119

4.5.3含鋯聚硅氮烷氣凝膠的形成過程120

4.5.4含鋯聚硅氮烷氣凝膠的微觀形貌121

4.5.5含鋯聚硅氮烷氣凝膠的比表面積和孔結構122

4.5.6含鋯聚硅氮烷氣凝膠陶瓷化轉變過程123

第5章硅基氣凝膠復合材料的應用進展127

5.1硅基氣凝膠在建筑保溫隔熱方面的應用進展127

5.1.1二氧化硅氣凝膠玻璃127

5.1.2二氧化硅氣凝膠隔熱涂料129

5.1.3二氧化硅氣凝膠纖維復合材料129

5.1.4二氧化硅氣凝膠氈和氣凝膠板130

5.1.5二氧化硅氣凝膠混凝土和砂漿131

5.1.6建筑保溫體系132

5.2硅基氣凝膠紅外阻隔材料研究進展133

5.2.1炭黑/二氧化硅氣凝膠134

5.2.2TiO2/二氧化硅氣凝膠134

5.2.3六鈦酸鉀/二氧化硅氣凝膠135

5.2.4其他紅外遮光劑136

5.3硅基氣凝膠在航空航天領域的應用進展137

5.3.1在空間探索中的應用137

5.3.2太空高速粒子防護138

5.3.3天體物理研究139

5.3.4梯度密度氣凝膠在空間探索中的應用139

參考文獻141

雖然這點不會因此排除硅基生命存在的可能，但存在大量液態(tài)水的星球肯定是排斥硅基生命的。

盡管從生物角度看，找到硅基生命的可能性很渺茫。但硅基生命在科幻小說中則很興盛，而且科幻作家的許多描述會提出不少有關硅基生命的有益構想。

在斯坦利·維斯鮑姆(Stanley Weisbaum)的《火星奧德賽》(A Martian Odyssey)中，該生命體有1百萬歲，每十分鐘會沉淀下一塊磚石，而這正是維斯鮑姆對硅基生命所面臨的一個重大問題的回答，文中進行觀察的科學家中的一位觀察到:

"那些磚石是它的廢棄物……我們是碳組成，我們的廢棄物是二氧化碳，而這個東西是硅組成，它的廢棄物是二氧化硅--硅石。但硅石是固體，從而是磚石。這樣它就把自己覆蓋進去，當它被蓋住，就移動到一個新的地方重新開始。"

一個很大的缺陷就是硅同氧的結合力非常強。當碳在地球生物的呼吸過程中被氧化時，會形成二氧化碳氣體，這是種很容易從生物體中移除的廢棄物質;但是，硅的氧化會形成固體，因為在二氧化硅剛形成的時候就會形成晶格，使得每個硅原子都被四個氧原子包圍，而不是象二氧化碳那樣每個分子都是單獨游離的，處置這樣的固體物質會給硅基生命的呼吸過程帶來很大挑戰(zhàn)。二氧化硅是原子化合物，很難溶解在水和其他液體之中，它是巨大的分子。

其實如果存在硅基生命的星球存在氟化氫，它們完全可以吸入這種氣體，與二氧化硅反應生后呼出四氟化硅(氣體)排出水，并且硅基植物通過"光合作用"吸入四氟化硅、水和光經(jīng)過一系列反應生成氟化氫排回大氣中并生成"硅淀粉"。但硅基植物的"光合作用"沒有詳細的可行性論述。

二氧化硅生成氣態(tài)的四氟化硅反應方程式如下:

SiO2(s) + 4 HF(aq) → SiF4(g) + 2H2O(l)

生成的SiF4可以繼續(xù)和過量的HF作用，生成氟硅酸:

SiF4(g)+2HF(aq)=H2[SiF6](aq)，6HF+SiO2=H2SiF6+2H2O氟硅酸是一種二元強酸。氟硅酸的酸性比硫酸還強，受熱分解放出有毒的氟化物氣體。具有較強的腐蝕性。

有一些人認為二氧化硅不溶于水，這種觀點是錯誤的。以粉末形式存在的二氧化硅可以與水反應生成原硅酸。二氧化硅在催化劑的作用下，也可以和水反應。H2O + SiO2=H2SiO3 (硅酸) 2H2O + SiO2=H4SiO4(水過量時，生成原硅酸。)

氟化氫對硅基生物和硅基生命是有毒的，可以破壞硅化物。氟化氫又叫做氫氟酸。它具有極強的腐蝕性，能強烈地腐蝕含硅的物體。與硅和硅化合物反應生成氣態(tài)的四氟化硅(能腐蝕玻璃)，但對塑料、石蠟、鉛、金、鉑不起腐蝕作用。氫氧化鈉可以和二氧化硅反應，生成硅酸鈉。硅酸鈉易溶于水。硅基生命可以將硅酸鈉排除體內。

氟化氫對硅基生命的皮膚有強烈刺激性和腐蝕性。氫氟酸中的氫離子對硅基生命組織有脫水和腐蝕作用，而氟是最活潑的非金屬元素之一。皮膚與氫氟酸接觸后，氟離子不斷解離而滲透到深層組織，溶解細胞膜，造成表皮、真皮、皮下組織乃至肌層液化壞死。氟離子還可干擾烯醇化酶的活性使皮膚細胞攝氧能力受到抑制

硅基生命可能用一種特殊的催化劑消除氟化氫的毒性。這種催化劑可以讓氟化氫只和二氧化硅反應。地球上有一種生物是硫細菌，這種生物能在稀硫酸中生活，最適生長pH值范圍為pH2~3。絕大多數(shù)有機物都容易被硫酸破壞，硫細菌能產(chǎn)生一種催化劑防止它自己被硫酸破壞。硅基生物同樣也能產(chǎn)生一種催化劑，防止它自己被氟化氫破壞。

硅基生命可以呼吸二氧化碳和二氧化硫。化學方程式:(甲基甲硅烷和二氧化硫應)2SiH3CH3+7SO2=2CO2+2SIO2+7S+H2O (四甲基甲硅烷和二氧化硫反應)Si(CH4)+9SO2=4CO2+SiO2+9S+H2O

因為硅硅單鍵(Si-Si)不穩(wěn)定，所以乙硅烷( SiH3-SiH3)不穩(wěn)定。乙硅烷( SiH3-SiH3)比碳烷烴更不穩(wěn)定，在低溫之下緩慢分解成甲硅烷和氫，在300~500℃分解成為SiH4、SinHm、H2，在光照下也分解。硅只能形成雜鏈高分子化合物。硅基雜鏈高分子的主鏈除硅原子外，還含有碳、氧、氮、硫、鋁、硼等其他元素。有機硅高分organosilion- polymers主鏈(或骨架)是由硅、氧交替組成的高分子。又稱聚硅氧烷或聚硅醇。因為硅只能形成雜鏈高分子化合物，所以硅基生命產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物、廢物、氧化物是非常復雜的，這意味著硅基生命需要更多的酶作為催化劑。每個酶的長度大約為50nm，細胞體積太小就裝不下足夠的酶。硅基生物的細胞比碳基生物的細胞更大。如果一個細胞體積越大，那么它的相對表面積就越小。如果一個細胞相對表面積越小，那么物質進入細胞膜的速度就越小。所以硅基生物的新陳代謝比碳基生物更慢。

此外，水是一切蛋白質生命所必需的溶液和介質。有沒有一種其他化合物可以取代水的地位呢?有!那就是氨。由于氨在冰點以下仍是液體，一些科幻作家遂推想，在一些寒冷的巨型氣態(tài)行星的表面下，可能存在著由氨組成的海洋，而海洋中則充滿著以氨為介質的生命形式。

以上都只是個別的、零星的構想，真正對問題作出全面性的考察和系統(tǒng)性的分析的，是著名生化學家阿西莫夫所寫的一篇文章《并非我們所認識的》。他在文中提出了六種生命形態(tài):

一、以氟化硅酮為介質的氟化硅酮生物;

二、以硫為介質的氟化硫生物;

三、以水為介質的核酸/蛋白質(以氧為基礎的)生物;

四、以氨為介質的核酸/蛋白質(以氮為基礎的)生物;

五、以甲烷為介質的類脂化合物生物;

六、以氫為介質的類脂化合物生物。

其中第三項便是我們所熟悉的---亦是我們惟一所認識的---生命。至于第一、第二項，是一些高溫星球上可能存在的生命形式，另外，地球上曾經(jīng)出現(xiàn)過的那些生活在硫礦里的、厭氧的古細菌就很有可能是以硫作為自己生命的介質;而第四項至第六項，則是一些寒冷星球上可能存在的生物形態(tài)。

(4.1)中子星

然而，科幻作家仍不滿足于生命的這些多樣性，他們在各自的作品中充分發(fā)揮了想像力，為我們創(chuàng)造出一些更不可思議、但細想之下又似乎不無道理的生命世界。一些作家設想，在某些極寒冷的星球之上，可能存在著以液體氦為基礎，并以超導電流作聯(lián)系的生命形式;另一些作家則認為，即使在寒冷而黑暗的太空深處，亦可能有一些由星際氣體和塵埃組成，并由無線電波傳遞神經(jīng)訊號的高等智能生物--霍耳的科幻小說正是這方面的代表作;還有一些想像力更豐富的作家甚至認為外星生命也許根本不需要化學物質基礎，他們可能只是一些純能量的生命形式，比如一束電波。

最為有趣的是著名科幻作家福沃德所寫的《龍蛋》，這部構思出色的作品描述了一顆中子星表面的生物。這顆中子星直徑僅20公里，但表面的引力卻等于地球上的670億倍，磁場是地球的1萬億倍，表面溫度達到8000多攝氏度。什么生物可以在這樣的環(huán)境下生存呢?是由"簡并核物質"組成的生物。所謂"簡并"，就是指原子外部的電子都被擠壓到原子核里去，因此所有原子都可以十分緊密地靠在一起，形成超密物質。中子星上的生物身高約半毫米，直徑約半厘米，體重卻有70公斤，這是因為他們由簡并物質所組成。此外，他們的新陳代謝是基于核反應而非化學反應，因此一切變化(包括生老病死和思維)的速率都比人類快100萬倍!

(4.2)金屬細胞和金屬生命體

就在科幻作家構思"硅基生命"的時候，實驗室里的"金屬細胞"已經(jīng)有了生命征象，并且初步顯露出進化的趨勢。 不同于碳元素的共價鍵有機物，這種"無機生命"的基礎是金屬鎢的雜多酸陰離子--6族元素能與氧配位成多面體(姑且理解成酸根)，然后脫水縮聚成共用氧原子的巨大結構，比如下面的車輪形{Mo176}。這些龐大的陰離子可以繼續(xù)縮聚并容納其它含氧酸，進而在強酸溶液里自組織成泡狀結構，如同活細胞--這或許意味著，我們的生物學只是生命科學里的一小部分。

克羅寧和同事通過從大分子金屬氧化物中提取負電荷離子形成鹽溶液，來束縛氫或者鈉一些較小的正電荷離子;這種鹽溶液注入另一種含有較大負電荷有機離子的溶液中，可以束縛較小負電荷離子的活動性。

當這兩種鹽溶液混合，交換其中部分大分子金屬氧化物，使其不再形成較大的有機離子。這種新溶液在水中無法溶解:沉淀物質像包裹注射溶液的殼狀物。克羅寧稱這種沉淀物質為泡沫無機化學細胞(iCHELLs)，并表示它們還具有更多的特性。通過修改它們的金屬氧化物主干部分使iCHELLs具備自然細胞膜的屬性，例如:以iCHELLs為基礎的洞狀結構氧化物可作為多孔膜，依據(jù)大小尺度，有選擇性地讓化學物質進出細胞，其作用就像生物細胞膜。這將使細胞膜可以控制發(fā)生一系列化學反應，這是iCHELLs細胞關鍵性的特征。

同時，研究小組還在泡沫中制造泡沫，建立的隔膜模擬生物細胞的內部結構。他們通過連接一些氧化分子至光敏染料，可灌輸iCHELLs細胞進行光合作用?？肆_寧稱，早期實驗結果形成的細胞膜可將水分解為氫離子、氫電子和氧分子，這是光合作用的初始狀態(tài)。

克羅寧稱，我們可以抽吸質子分布在細胞膜上，來設置形成一個質子坡度。這是從光線中獲得能量的關鍵一步，如果生命體能夠完成這些步驟，將建立形成具有類似植物新陳代謝功能的自供給細胞。

這項實驗仍處于早期階段，一些合成生物學家目前保留發(fā)言意見。西班牙巴倫西亞大學的曼紐爾-波爾卡說:"克羅寧研制的金屬細胞泡沫目前還不能說完全具備生命特征，除非這些細胞可以攜帶類似DNA的物質，可驅動自我繁殖和進化。"克羅寧回應稱，在理論上這是可能實現(xiàn)的，去年他在實驗中顯示利用金屬氧酸鹽彼此作為模板可實現(xiàn)自復制功能。

在為期7個月的實驗中，目前克羅寧可以大批量生產(chǎn)這些金屬細胞泡沫，并將它們注入充滿不同pH值的試管容器中，他希望這種混合環(huán)境將測試它們的生存性。如果pH值過低，一些細胞將溶解死亡。

如果克羅寧的實驗是正確的，或許宇宙生命的存在性將更加廣闊。日本東京大學的Tadashi Sugawara說:"這項實驗結果說明生命體并不全是基于碳結構，水星的物質結構與地球相差很大，或許在水星上也有可能通過無機元素形成生命體?？肆_寧的這項研究開辟了一個新的領域。"

也許在未來很遠很遠的某一天，硅基生命會作為一種宇宙新進化的生命形態(tài)而替代碳基生命，就像《科幻世界》中一篇《沙漠蚯蚓》中說的。不過那一定離我們很遠很遠。

我們目前使用的電腦，就是用硅作為芯片的，如果這個電腦再高級一些，發(fā)展成為智能電腦，那就是硅基生命了。而網(wǎng)絡世界，或許將是硅基世界了。不過生命并非是以智能與否來定義的，因為病毒沒有智力，只是單純的趨利避害，現(xiàn)有的計算機的"智力"完全可以超越這種生命，但病毒可能是生命，而計算機卻不是。這種論調是基于對生命錯誤的定義。

還有一種猜想就是:硅基生物可以直接把光能轉化為電能，以維持其生命活動。是否符合生命定義存疑。

但是硅基生命的存在的可能性卻受到許多缺陷的威脅:當碳在地球生物的呼吸過程中被氧化時，會形成二氧化碳氣體，這是種很容易從生物體中移除的廢棄物質;但是，硅的氧化會形成固體，因為在二氧化硅剛形成的時候就會形成晶格，使得每個硅原子都被四個氧原子包圍，而不是象二氧化碳那樣每個分子都是單獨游離的，處置這樣的固體物質會給硅基生命的呼吸過程帶來很大挑戰(zhàn)。

不過有人提出質疑，"造物主"可以在創(chuàng)造這種生物體系時對它們的能量收集方式進行"創(chuàng)新":這種生物同時"吃"產(chǎn)生能量所需的兩種(也可以是多種)物質，分開存儲于體內，這兩種(或多種)物質完全可以不是氣體。產(chǎn)生成分為硅化合物的廢物后也可以用磷酸(或氟化氫等活躍物質或專門與硅產(chǎn)生反應的反應后生成液體或氣體的物質)組成的"血液"和化學性質特別穩(wěn)定的血管組成內循環(huán)系統(tǒng)，雖然這種循環(huán)系統(tǒng)并不是硅基的卻是可能的。這樣看來沒有呼吸系統(tǒng)的生命也是可能的，并且對于碳基生命也是可行的，但顯然這種形式顯然是低效的，因為碳基生命為了適應地球大自然而選定了呼吸這種形式。

有人認為，硅可能不能像碳一樣產(chǎn)生眾多的具有左旋右旋特征的化合物，只要是生命形態(tài)，就必須從外界環(huán)境中收集、儲存和利用能量。在碳基生物這里，儲存能量的最基本的化合物是碳水化合物。在碳水化合物中，碳原子由單鍵連接成一條鏈，而利用酶控制的對碳水化合物的一系列氧化步驟會釋放能量，廢棄物產(chǎn)生水和二氧化碳。這些酶是些大而復雜的分子，它們依照分子的形狀和左旋右旋對特定的反應進行催化，這里說的左旋右旋是因分子含有的碳的不對稱使得分子出現(xiàn)左旋或者右旋，而多數(shù)碳基生物體內的物質都顯示這個特征，正是這個特點使得酶能夠識別和規(guī)范碳基生物體內的大量不同新陳代謝進程。然而，硅沒能象碳這樣產(chǎn)生眾多的具有左旋右旋特征的化合物，這也讓它難以成為生命所需要大量相互聯(lián)系的鏈式反應的支持元素。即它不能像類似碳基生命一樣識別和規(guī)范碳基生物體內的大量不同新陳代謝進程，把儲存的能量釋放出來。