气凝胶材料的研究进展
气凝胶材料的研究进展
0 引言
1931 年Kistler：用硅酸钠为硅源，盐酸为催化剂，制备了水凝胶，然后通过溶剂置换和乙
醇超临界干燥，首次制备了 SiO2 气凝胶。在此后的几年时间里，Kistler 详尽地表征了 SiO2 气
凝胶的特性，并制备了许多有研究价值的其它气凝胶材料，包括：Al2O3、WO3 等气凝胶材
料.但由于制备周期较长、成本高，且脆性较大。直到 60 年代，Tiechner 的研究使气凝胶材料
的制备出现了质的发展.他用正硅酸甲酷（TMOS）为硅源、甲醇为溶剂，加人一定量的水和催
化剂，使之发生水解和聚合反应，直接生成醇凝胶，因而不需要长时间的溶剂交换，通过醇的
超临界干燥便可获得性能良好的 SiO2 气凝胶材料。
1 气凝胶材料的性质与应用
气凝胶根据其成分可以分为无机气凝胶、有机气凝胶和无机?D 有机复合气凝胶三类，气
凝胶材料的分散介质是气体，且作为凝胶网络骨架的固体相，以及网络的空隙结构均为纳米级
别，这种连续三维纳米网络结构使其具有独特的性能，比如高孔隙率、低密度、低折射率、低
热导率，低介电常数，低光折射率，低声速等。
1.1 作为超级绝热材料室温下，SiO2 是目前隔热性能最好的固态材料。其具体应用涵盖了
科研、工业、国防等保温隔热场合，尤其是航空航天和航海领域，同时，还可用于生活日用的
多种场所，如建筑隔热、衣物保暖、冰箱隔热、管道保温等，乃至提高太阳能集热器的效率
等。
1.2 在环保领域，近年来，环境污染问题日益严重。SiO2 气凝胶的高孔隙率和大比表面积
使其具有很大的吸附能力，是性能良好的吸附剂，可广泛应用于废水处理、空气净化和核废弃
物处理等环保领域。
1.3 利用 SiO2 气凝胶具有粒径小、比表面积大和密度低等特点将其制备成催化剂及催化剂
载体，这使其催化剂的活性和选择性远远高于常规催化剂，而且它还可以有效地减少副反应的
发生。目前地球的温室效应要求减少 CO2 的排放，SiO2 气凝胶与硅线石的复合材料可用作吸
收二氧化碳气体的氧化钙吸收剂的载体，氧化钙的装载率达到40%以上，使 CO2 的转换率达
81%，就是其充分利用了该复合材料高比面积和高化学活性的特点.
1.4 同时利用气凝胶材料的低声速特性可以合成声阻耦合材料及高效隔音材料.硅气凝胶可
以作为一种理想的声学延迟或高效隔音材料，是一种较理想的超声探测器的声阻耦合材料。该
材料的声阻抗可变范围较大用厚度为 1/4 声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。[1]
2 气凝胶材料的制备
气凝胶的制备工艺目前成熟的方法有以下几种：超临界干燥，亚临界干燥，冷冻干燥，传
导干燥，和常压干燥.蒸馏干燥是指利用对气凝胶进行恒定温度的蒸馏而达到干燥目的的方法。
刘海弟等研究了利用恒沸蒸馏脱除超细SiO2 滤饼中水分的可行性和具体的实施方法。研究结
果表明，利用恒沸蒸馏可以明显地减弱颗粒之间的团聚和结块现象，并且发现蒸馏过程不会对
SiO2 颗粒表面的活性基团造成明显改变。综上由于超临界干燥工艺复杂、成本高，且有一定的
危险性，其他干燥工艺发展还不够成熟，以合理的成本大规模制备气凝胶一直是具有挑战性的
课题。采用常压干燥技术制备气凝胶既降低了危险性，又减少了成本，能在常温常压下制备出
块体气凝胶材料，具有很高的实用价值。因此目前非超临界干燥技术的主要研究方向是常压干
燥.[2]ZrO2 气凝胶的制备，以 ZrOCI2?8H2O 为锆源，通过添加乙酸（HAC）、聚乙二醇
600（PEG）和甲酰胺（FA）等化学添加剂调节溶胶一凝胶速率、胶体粒子的分散性和凝胶网
络结构的均匀性，以环氧丙烷（PO）为凝胶促进剂制备 ZrO2 凝胶，再结合高温超临界干燥工
艺制备出了有一定强度的、具有均匀网络结构的块体ZrO2 气凝胶。采用SEM 和BET 等分析
手段对制备的样品进行微观形貌和性能表征。其实验结果表明：随着甲酰胺的增加，样品孔体
积和平均孔径均减小，比表面积增大；随着聚乙二醇的增加，样品比表面积、孔体积、平均孔
径均出现先增大后减小的规律。[3]
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气凝胶材料的研究进展 0引言 1931年Kistler：用硅酸钠为硅源，盐酸为催化剂，制备了水凝胶，然后通过溶剂置换和乙醇超临界干燥，首次制备了SiO2气凝胶。在此后的几年时间里，Kistler详尽地表征了SiO2气凝胶的特性，并制备了许多有研究价值的其它气凝胶材料，包括：Al2O3、WO3等气凝胶材料.但由于制备周期较长、成本高，且脆性较大。直到60年代，Tiechner的研究使气凝胶材料的制备出现了质的发展.他用正硅酸甲酷（TMOS）为硅源、甲醇为溶剂，加人一定量的水和催化剂，使之发生水解和聚合反应，直接生成醇凝胶，因而不需要长时间的溶剂交换，通过醇的超临界干燥便可获得性能良好的SiO...
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作者：闻远设计
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