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新材料系列——见识“气凝胶”的神通广大

7月中旬,由哈佛大学、爱丁堡大学以及美国航天航空局喷气推进实验室的研究人员共同组成的科研小组公布了一个新设想——在火星上的部分地区搭建一个气凝胶保护罩,实现人类移民火星。 
据现有的资料可知,火星是一颗沙漠行星,可利用的水不多,大气以二氧化碳为主,表面平均气温在﹣55℃左右。气候如此恶劣,单凭一层薄薄的气凝胶就能改善,未免让人觉得耸人听闻,那么气凝胶究竟是何方神圣呢? 
气凝胶又叫干凝胶,也被称为蓝烟或冻结的烟,具有超轻质、极低热导率、高热稳定性、高吸附性、高吸能、隔音等特性,还具有膨胀作用、触变作用、离浆作用,这使其不仅具有良好的延展性,还拥有透气、防火、吸收油和水的优良性质。 
气凝胶有很多种类,如:硅系气凝胶、碳系气凝胶、硫系气凝胶等,其中最常见的是二氧化硅气凝胶。气凝胶通常有四种分类方式: 从外观特点可以被划分为块状、粉状以及薄膜状气凝胶;从制备方法可被划分为气凝胶、干凝胶和冻凝胶;从不同的微结构可以被划分为微孔、介孔以及混合孔洞气凝胶。气凝胶也是目前世界上密度最小的固体,并已入选吉尼斯世界记录中最轻的一类物质。由于气凝胶中80%以上都是空气,因此在隔热方面有不俗表现。 
气凝胶的应用 
当前气凝胶的产品形态主要有毡、板、布、纸、颗粒、粉末和异形件等,其中,大部分的产品是具有保温功能的气凝胶产品。凭借一系列优越性能,气凝胶在科研领域的研究范围不断扩大,与此相对应的,实际应用成功案例也逐步增多,在军用和民用领域都有非常良好的表现,并且在多行业领域中表现不俗。 
·航空航天及军工领域 
气凝胶作为一种绝佳的轻质隔热保温材料,在航空航天领域大受青睐。 
据悉,在我国“长征五号”运载火箭上,就搭载了由我国自主研制的高性能纳米气凝胶隔热毡,为其燃气管路系统提供隔热保温功能;美国在“火星漫步者”探测车的电路中使用了气凝胶材料进行保护,以及“星辰号”飞船用来收集彗星尘也使用了气凝胶做的采集“手套”。 
此外气凝胶的吸能特性也使其在战场和其他复杂环境下的表现与目前应用的特种材料相比拥有更多优势。 
防弹型气凝胶在军车上的应用让我们看到气凝胶在战争中的另一应用前景,据悉,只要在金属片上加约6毫米的气凝胶,就能够承受炸药带来的破坏力;在水下探测领域,气凝胶的低声速特性和高孔隙超轻质特点也使之成为比较理想的超声探测器的声阻耦合材料和最佳水声反声材料。 
·电池 
拥有极佳保温效果的气凝胶,也是导热系数最低的固体材料,同时凭借其极强的阻燃性,在电池领域我们也能见到气凝胶的身影。 
锂离子动力电池组热失控事故时有发生,提高热失控电芯向电池其他系统传热的热阻来阻碍热失控蔓延是一种有效方法。气凝胶毡具有防火、隔热、阻燃的特性,而且质感柔软、易于加工,是非常理想的预防材料;另外在热电池应用领域,气凝胶作为热电池保温筒的隔热材料能够解决多领域对热电池的高性能、长寿命的要求。 
·纺织 
气凝胶应用于纺织领域已经屡见不鲜,也是作为普通人的我们最容易接触到的。 
随着户外运动的兴起,气凝胶材料在运动服上的优势尽显,例如在户外运动中登山防寒服饰的应用,以极轻巧的穿着感打破以往防护服臃肿沉重的历史,为运动爱好者们打开新世界的大门;2018年10月9日,Supield素湃科技气凝胶衣众筹甫一上线就迅速积累资金逾600万,群众对于气凝胶涉猎日常可穿着的保暖服饰期待值也非常高,这种服饰使用了纺织专用的气凝胶复合保暖材料,对服装材料界也赢得了更多关注;此外在消防员外套制服的制作上,气凝胶制成的保护性隔热材料取得了非常好的效果,对高温的隔绝也降低了消防员受伤危险。 
·建筑 
气凝胶具有良好的防火、保温、隔热、隔声等功能,为建筑领域掀起一场新的革命。 
气凝胶可以作为墙体保温系统中现有保温材料的合理替代,能够应用于保温砂浆、保温装饰一体化板、墙体夹心保温等方面;气凝胶玻璃具有防火和吸能特性,不仅可以改善玻璃遇火爆炸、抗风压差等问题,还可以平衡室内温度。 
我国气凝胶的研发 
现在各国都在深耕对气凝胶的研究开发,其中中国和美国是目前全球气凝胶科研、生产、应用领域的主要国家。我国近年来不断传出喜讯,对气凝胶材料的开发正如火如荼开展: 
中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张学同领导的气凝胶团队与德国科学家合作,成功制备得到超柔性氮化硼纳米带气凝胶,并实现了气凝胶材料在-196°C~1000°C温度范围内及不同载荷冲击形式下的柔性保持; 
华南理工大学以MXene (Ti3C2)纳米片为骨架材料、细菌纤维素(Bacterial Cellulose; BC)为纳米连接材料制备了一种新型的弹性碳气凝胶。该碳气凝胶具有超高的可压缩性、弹性与抗疲劳性,而且具有宽范围线性灵敏度和对微小形变、微小压力的超高检测能力。将该碳气凝胶组装成简易电子器件后,可实现对声带发声、关节活动和脉搏跳动等人体生物信号的灵敏检测,显示了在压力传感、可穿戴电子器件等方面具有重要的应用价值; 
中国科学技术大学俞书宏教授课题组以壳聚糖作三维软模板,成功研制了具有双网络结构的PFR/SiO2复合气凝胶材料。这种复合气凝胶可以承受60%的压缩而不破裂,具有一定的机械强度和可加工性。独特的双网络结构赋予了气凝胶优异的防火阻燃性,且燃烧后残留物质会附着在气凝胶表面不脱落,仍然有隔热效果; 
哈尔滨工业大学的研究团队研发出一种新型陶瓷气凝胶,它超轻且极其耐用,为未来解决陶瓷超轻结构的脆性问题和受热析晶问题提供了研究思路; 
同济大学物理科学与工程学院纳米多孔材料课题组通过模仿北极熊毛发的膜孔结构,采用化学气相沉积法和煅烧工艺,获得了新型二氧化硅纳米管气凝胶。 
结语:气凝胶的优良特性和多领域应用前景预示着未来气凝胶产业的发展走势,未来在世界范围内对气凝胶新材质的研产活动还将持续推进。

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