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气凝胶的发展应用方向

发布时间:2021-03-22人气:

  什么是气凝胶材料

  气凝胶是一种内部网络结构稳定且充满气体,外表呈现固体状态,密度极低的多孔材料,是目前已知较轻的固体材料。它的网络结构一般是由相互交联的纳米颗粒所组成,其中颗粒内部的孔隙主要是微孔,颗粒与颗粒之间则大多是2nm以上的中孔或大孔。

  低导热的气凝胶

  气凝胶具有低密度(~0.16mg/cm3)、高比表面积(400-1000m2/g)、高孔隙率(90%-99.8%)、低热导率(~0.012Wm/k)、结构可控等诸多优异性能,被称为改变世界的神奇材料,列入20世纪90年代以来10大热门科学技术之一,具有巨大的军民两用应用价值。

  气凝胶分类

  从成分构成分类是气凝胶普遍的区分方式,分为单一组分和复合组分两大类。单一组分气凝胶包括氧化物气凝胶(二氧化硅和非二氧化硅),有机气凝胶(树脂基和纤维基),碳气凝胶(碳化塑料、碳纳米管和石墨烯),硫化物气凝胶和其他种类的气凝胶(单一元素、碳化物);复合组分气凝胶包括多组分气凝胶、梯度气凝胶以及微/纳气凝胶复合物。其中硅气凝胶、碳气凝胶和二氧化硅气凝胶较常见。

  气凝胶的结构与导热性质

  气凝胶有良好的隔热,其主要原理是:气凝胶中纳米级孔洞中的空气不能自由流动,消除了空气对流传热。气凝胶中高达80%以上的成分是空气,固体成分少,且热传导路径细长,从而大大减轻了固体热传导。纳米级孔洞的孔径(大部分为20-50nm)小于空气分子自由程(70nm),大大减弱了空气分子发生碰撞而形成的热传导。存在大量的气固界面,并添加了特殊的遮光剂,大大阻隔了热辐射。

  气凝胶的生产工艺

  气凝胶的性能就是由其结构决定的。因此如何制备结构显得尤为关键,主要过程有三步。1、溶液到溶胶过程:纳米尺度的胶体粒子通过缩聚和水解反应在均匀的前驱物溶液中形成,或是通过催化剂来催化加速。2、溶胶到凝胶的过程(凝胶):溶胶粒子之间手拉手连接,分层装配进一个具有连续网状结构的湿凝胶。3、凝胶到气凝胶的过程(干燥):这个过程中湿凝胶中的溶剂被空气所替代,同时不会有严重的微结构破坏

  因此气凝胶的生产主要有两个关键技术:

      溶胶-凝胶技术和干燥技术,前者主要是为了获得具有一定空间网络的结构,后者则是将醇凝胶网络骨架中的溶剂去除,得到气凝胶材料。前者主要有:无机气凝胶、有机气凝胶、碳气凝胶的溶胶-凝胶技术,后者主要有:超临界干燥、亚临界干燥、冷冻干燥和常压干燥技术。

  气凝胶的主要性能及其应用

  由于气凝胶可以有效阻隔热的三种传热途径,因此它的隔热性能特别好。这也是它目前的应用领域。需要隔热的领域有很多,比如建筑,工厂等。因为建筑隔热可以有效避免内外热量传递,因此可以节约能源,降低成本

  除了建筑行业之外,还有化工厂隔热也具有很广阔的应用前景。

  2016年11月3日,我国新一代大运力运载火箭“长征五号”在海南文昌卫星发射中心成功首飞。其中,为火箭燃气管路系统提供隔热保温的就是国内自主研制的高性能纳米气凝胶隔热毡。

  气凝胶的市场规模(全球)

  除了看具体的市场规模,还要看市场前景。从绝热材料领域看,目前气凝胶只是绝热材料中的很小一部分。而以气凝胶的优异性能,只要能实现规模化生产降低生产成本,势必会占据更多绝热材料市场

  绝热材料市场和气凝胶对比

  随着气凝胶工艺成本的降低和产业规模的不断扩大,一些新兴应用不断开发出来,国内气凝胶市场将日益成熟,2020年国内市场规模将达37亿元,年复合增长率高达61%。

  以上都只是说明气凝胶市场前途很光明,具体应用领域有建筑、石化、交通运输、电力、冶金等。

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