维普资讯 http://www.cqvip.com 王珏：纳米多－ｔＬ，￣材料一二氧化硅气凝胶 ９ 纳米多孑Ｌ硅材料一二氧化硅气凝胶 王珏 （同济大学．Ｊ：海２０００９２） 摘要：简要明晰地介绍了纳米多孔■氧化硅气凝胶的制箭、应川、发展等相关情况 关键词：二氧化硅；气凝胶；应』｛Ｊ；研究；制备；发展 随着国民经济和国防尖端技术的Ｉｔ益发展，人们对材料性能的要求越来越 高．各利・新型材料的开发研究越来越引起人们的重视．在无机非金屑材料领域， 通过涪胶一凝胶过程（ｓ０ｌ—ｇ０ｌ ｐｒｏｃｅｓｓ），实现对材料结构的介观尺寸进行控制，从 而产生性能卓越、奇异且可以按需要进行“剪裁”的新材料的制备方法，已 示 出巨大的优越性和广泛的应用前景。南凝胶转变成间态材料是溶胶一凝胶应用中 的一个重要环节，采用超临界干燥工艺是解决凝胶同化过程中收缩和碎裂的有 效途径之一，南此方法获得的非品同态材料称为气凝胶（Ａｅｒｏｇｅ１）。 ， 气凝胶的制备通常南溶胶一凝狡过程和超临界干燥处理构成。在溶胶一凝 胶过程中，通过控制溶液的水解与缩聚反应条件，在溶体内形成不同结构的纳 米团簇，团簇之间的相互粘连形成凝胶体，而在凝胶体的同态骨架周围则充满 化学反应后剩余的液态试剂。为了防止凝胶干燥过程中微空洞内的表面张力导 致材料结构的破坏，采用超临界干燥工艺处理，把凝胶置于压力容器内加温升 压，使凝胶内的液体发生栩变成超临界态的流体，气液界丽消失，表面张力不 复存在，此时将这利・超临界流体从压力容器ｒｆＪ释放，即可得到多孑Ｌ、无序、具 有纳米量级连续网络结构的低密度气凝胶材料。 气凝胶内含大量的空气，典型的空洞线度在ｌ—ｌ００纳米范围，空涧率在８０ ％以上，是一利一具有纳米结构的多孑Ｌ材料，在力学、声学、热学、光学等 方 面均 示其独特性质。它们明 不同于孑Ｌ涧结构在微米和毫米量级的多孑Ｌ材料， 其纤细的纳米结构使得材料的热导率极低．具有极大的比表而积．对光、ｓ＂ｌｌ￣ 散射均比传统的多孑Ｌ性材料小得多，历有这些不仅使得陔材料在基础研究｜Ｉ－引 起人们兴趣，而且在许多领域蕴藏着』 泛的应用前景。 在分形结构研究方而，硅气凝胶作为一利・结构可控的纳米多孔材料，其表 现密度明 依赖于标度尺寸，在一定Ｊ 度范…１人Ｊ，其密度往往具有标Ｊ立不变性， 即密度随尺度的增加而下降， Ｊｉ具有ｎ卡¨似结构，在气凝胶分形结构动力学 研究方面的结构还表叫，在不 度范… ，／ｆｊ．＝＝个色散关系Ｉ 不 ｆ１，Ｊ激发 区域，分别对应于声子、分形于和粒子模的激发。改变气凝胶的制嵛条什，ｕｆ 使其关联长度在两个最级的范ｒＩ习 变化， 因此硅气凝胶已成为研究分形结构及 维普资讯 http://www.cqvip.com １０ 无机硅化合物（ Ｄ憾Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）２００６年第３期（总第１３６期１ 其动力学行为的最佳材料。 ． 在“８６３”高技术强激光研究方面，纳米多孑Ｌ材料具有重要应门】价值，如利 用低于临界密度的多孑Ｌ靶材料，可望提高电子碰撞激发产生的Ｘ光激光的光束 质量，节约驱动能，利用微球形节点结构的新型多孔靶，能够实现等离于体三 维绝热膨胀的快速冷却，提高电子复合机制产生的ｘ光激光的增益系数，利用 超低密度材料吸附核燃料，可构成激光惯性约束聚变的高增益冷冻靶。气凝胶 纤细的纳米多孑Ｌ网络结构、巨大的比表面积、结构介观尺度上可控，成为研制 新型低密度靶的最佳候选材料 目前采ｉｌｌ－步法，可得到密度仅为 气３倍的 超低密度硅气凝胶。 在作为隔热材料方面，硅气凝胶纤．ｅｌｍ，Ｊ纳米网络结构有效地限制了局域热 激发的传播，其同态热导率比栩应的玻璃态材料低２—３个数量级。纳米微孑Ｌ洞 抑制了气体分子对热传导的贡献。硅气凝胶的折射率接近ｌ，而且对红外和可见 光的湮灭系数之比达１ｏｏ以上，能有效地透过太阳光，并阻止环境温度的红外热 辐射，成为一种理想的透明隔热材料，在太阳能利用和建筑物节能方面已经得 到应用。通过掺杂的手段，可进一步降低硅气凝胶的辐射热传导，常温常压下 掺碳气凝胶的热导率可低达０．０１３ｗ／ｍ・Ｋ，是目前热导率最低 的同态材料，可望替代聚氨脂泡沫成为新型冰箱隔热材料。掺人二氧化钛可使 硅气凝胶成为新型高温隔热材料，８００Ｋ时的热导率仅为６．０３ｗ／ｍ・Ｋ，作为军 品配套新材料将得到进一步发展。 由于硅气凝胶的低声速特性，它还是一种理想的声学延迟或高温隔音材料。 该材料的声阻抗可变范围较大（１０３—１０７ ｋｇ／ｍ２・ｓ），是一种较理想的超声探测器 的声阻耦合材料，如常用声阻匝Ｚｐ＝１．５×ｌ０７ ｋｇ／ｍ２・ｓ的压电陶瓷作为超声波 的发生器和探测器，而空气的声阻只有４００ ｋｇ／ｍ２・ｓ。用厚度为ｌ／４波长的硅 气凝胶作为压电陶瓷与空气的声阻耦合材料．可提高声波的传输效率，降低器 件应用中的信噪比。初步实验结果表明，密度在３００ ｋｇ／ｍ３左右的硅气凝胶作 为耦合材料，能使声强提高３０ ｄＢ，如果采用具有密度梯度的硅气凝胶，可望得 到更高的声强增益。 在环境保护及化学工业方面，纳米结构的气凝胶还可作为新型气体过滤 ， 与其它材料不同的是该材料孑Ｌ洞大小分布均匀，气孔率高，足一利ｔ高效气体过 滤材料．如掺ｃａ、Ｍｇ的硅气凝胶能非常有效地吸附Ｓ（）２、ＮＯＸ、Ｈ２Ｓ等有毒行 害气体。ｆ｝１于该材料特别大的比表而积．气凝胶在作为新型催化剂或催化剂的 载体方而亦有广阔的应川前景。 在能ｆｉ￣－７，ｔ，－ｆ＇ｔ：方而，有机气凝胶经过烧结丁 处理后将得到碳气凝胶 这利・ 导电的多孑Ｌ材料是继纤维状｝ 忭碳以后发展起来的一种新 ４碳素材料 它具 丁 很大的比表而积（６０（卜一１０００ ｒＴ１２／ｋｇ）和高电导率（１０—２５ ｓ／ ｍ）．而目．密度变化范 维普资讯 http://www.cqvip.com 王珏：纳米多孔硅材料一二氧化硅气凝胶 Ｉ Ｉ 围广（０．０５一Ｉ．０ ｇ／ｃｍ３）．女【ｔ在其微空洞内充人适当的电解液．ＩＪｆ以制成新型可充 电电池，它具有储电容量大、内阻小、重量轻、充放电能力强．可多次重复使 用等优异特性，初步实验结果表明：碳气凝胶的充电容量达３×１０４／ｋｇ２，功率 密度为７ ｋｗ／ｋｇ，反复充放电性能良好。 在材料的量子尺寸效应研究方面，巾于硅气凝胶的纳米网络内形成量子点 结构．化学气栩渗透法掺Ｓｉ及溶液法掺Ｃ６０的结果表明，掺杂剂是以纳米品粒 的形式存在，并观察到很强的可见光发射，为多孑Ｌ硅的量子限制效应发光提供 了有力证据。利用硅气凝胶的结构以及Ｃ６０的非线性光学效应，可进一步研制新 型激光防护镜。通过掺杂的方法还是形成纳米复合栩材料的有效手段。 此外，硅气凝胶是折射率可调的材料，使厅Ｊ不同密度的气凝胶介质作为切 伦柯夫阀值探测器，可确定高能粒子的质量和能量。因高速粒子很容易穿人多 孑Ｌ材料并逐步减速，实现“软着陆”，如选Ｊ｝Ｊ透明气凝胶在空ｌ＇￣ｉｌｉ获高速粒子， 可用肉眼或 微镜观察被阻挡、捕获的粒子。 作为一种新型纳米多孑Ｌ材料，除硅气凝胶外，已研制的还有其它单元、二 元或多元氧化物气凝胶、有机气凝胶及碳气凝胶。作为一利，独特的材料制备手 段，相关的工艺在其它新材料研制中得到广泛应用，如制备气孑Ｌ率极高的多孑Ｌ 硅、制备高性能催化剂的金属一气凝胶混合材料、高温超导材料、超细陶瓷粉 末等。目前国际上关于气凝胶材料的研究工作主要集中在德国的维尔茨堡大学、 ＢＡＳＦ公司、美同的劳伦兹・利物莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室，法国的 蒙彼利埃材料研究中心，日本高能物理国家实验室等。 美国格雷斯公司研制出全新开口剂 美同格雷斯公司在ｌ｛ｌ１同橡塑展巾推出新型防粘连剂，也就是俗称的开口 齐Ｉｊ—ＳＹＬ０ＢＩ ＯＣ。 ＳＹＩ ＯＢＩ ＯＣ是用于聚合物添加剂的注册商标，这是一种无定形二氧化硅， 用于薄膜行业的开口剂，既有高效的防粘连性，同时也有优良的光学特性。此 产品可广泛用于各利，聚合物薄膜，如聚丙稀、聚乙烯、聚酰胺、聚酯、聚炭酯 和聚氯乙烯。除标准规格外，格雷斯公司还圳有专利技术生产的含有硅胶的不 同添加剂复合产品。同时被ＦＤＡ批准可用于食 包装薄膜ｌ 格霄斯公司使』订先进的材料科学和技术生产一系列硅胶，分子筛，胶休二 氧化硅和沉淀法二氧化硅，专业技术与多年九勺应Ｊｆ】技术 结 ｊ．，他之能提供一 整套特殊产品系列。 中同是格雷斯公司在亚太地区最重要的一大市场。全新的格雷斯公司ＩＩＩ闰 区总部于２００５年在上海的嘉华Ｉｆ Ｉ心成立。