90% 以上孔隙率！SiO?氣凝膠復(fù)合材料為何如此神奇？
文章來(lái)源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2024-12-06 16:25:08
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在材料科學(xué)的廣袤星空中，SiO?氣凝膠復(fù)合材料猶如一顆閃耀著獨(dú)特光芒的新星，正逐漸成為全球科研與工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的焦點(diǎn)。從 20 世紀(jì) 30 年代起步，歷經(jīng)漫長(zhǎng)歲月的磨礪與沉淀，它憑借著一系列卓越的性能，在眾多傳統(tǒng)與新興材料中脫穎而出。其發(fā)展歷程不僅見證了人類對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控能力的不斷攀升，更為現(xiàn)代科技的諸多關(guān)鍵領(lǐng)域，如航空航天的極限探索、建筑節(jié)能的綠色變革、能源利用的高效提升等，帶來(lái)了前所未有的突破機(jī)遇，開啟了一段充滿無(wú)限可能與創(chuàng)新活力的材料科技新征程。 一、SiO?氣凝膠復(fù)合材料的發(fā)展歷程與特性 SiO?氣凝膠復(fù)合材料的發(fā)展源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，其起源可追溯至 20 世紀(jì) 30 年代，最初主要作為高效隔熱材料而被研究。歷經(jīng)數(shù)十年的技術(shù)演進(jìn)，如今已展現(xiàn)出極為多樣化的應(yīng)用潛力。 SiO?氣凝膠自身具備諸多獨(dú)特的性能。從微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看，它以三維網(wǎng)狀納米多孔結(jié)構(gòu)為顯著特征，孔隙率高達(dá) 90％以上。這種特殊的多孔結(jié)構(gòu)造就了其輕質(zhì)、低密度的物理特性，并且賦予了它較大的比表面積。其孔隙結(jié)構(gòu)的可控性更是一大亮點(diǎn)，使得材料能夠在多種復(fù)雜環(huán)境中維持穩(wěn)定，適應(yīng)性極強(qiáng)。在化學(xué)特性方面，SiO?氣凝膠擁有優(yōu)異的穩(wěn)定性和惰性，即便處于多種化學(xué)環(huán)境之下，依然能夠保持自身結(jié)構(gòu)與性能的穩(wěn)定。此外，其表面易于功能化，通過表面修飾可實(shí)現(xiàn)與其他物質(zhì)的有效結(jié)合，這無(wú)疑極大地拓寬了它在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用范疇。值得注意的是，SiO?氣凝膠對(duì)水蒸氣和某些氣體的吸附性能，使其在過濾和催化等領(lǐng)域也擁有廣闊的應(yīng)用前景。 自 1931 年被發(fā)明以來(lái)，SiO?氣凝膠已有九十余年的歷史。傳統(tǒng)的 SiO?氣凝膠被定義為“首先將前驅(qū)體液體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z和凝膠，并通過干燥工藝形成 SiO?顆粒相互連接的多孔三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”。早期的純 SiO?氣凝膠與聚氨酯泡沫、酚醛泡沫、聚苯乙烯等高分子材料相比，具有更低的密度和導(dǎo)熱系數(shù)，在航空航天領(lǐng)域初步得到應(yīng)用。然而，純 SiO?氣凝膠存在明顯的局限性，當(dāng)工作溫度超過 650 - 800℃時(shí)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會(huì)急劇下降，甚至發(fā)生破壞與坍塌，無(wú)法正常使用。 二、SiO?氣凝膠復(fù)合材料的不同類型與復(fù)合策略 氧化物增強(qiáng)復(fù)合 SiO?氣凝膠： 為改善純 SiO?氣凝膠的耐高溫和保溫隔熱等性能，眾多學(xué)者將其與 Al?O?、ZrO?、TiO?等氧化物進(jìn)行復(fù)合，研發(fā)出了氧化物增強(qiáng)復(fù)合 SiO?氣凝膠。這類復(fù)合材料具備良好的耐高溫、保溫隔熱、光催化等優(yōu)異性能，在航空航天的耐高溫、保溫隔熱、能量存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化等場(chǎng)景中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。例如，在航天飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、固體火箭助推器等高溫部件的隔熱保護(hù)方面，氧化物增強(qiáng)復(fù)合 SiO?氣凝膠能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用，有效降低熱量傳遞，保障設(shè)備的正常運(yùn)行與安全性。 纖維增強(qiáng) SiO?復(fù)合氣凝膠： 美國(guó)宇航局率先將氣凝膠作為高效隔熱材料應(yīng)用于一系列火星車和探測(cè)器上，但純 SiO?氣凝膠材料自身結(jié)構(gòu)較脆，力學(xué)強(qiáng)度不理想，極大地限制了其應(yīng)用前景。同時(shí)，氣凝膠復(fù)合材料的制備方法價(jià)格高昂，如超臨界干燥法雖能制備出質(zhì)量較好的產(chǎn)品，但成本過大，難以大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，多停留在科學(xué)研究階段。基于此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)純 SiO?氣凝膠材料力學(xué)強(qiáng)度差的技術(shù)難題開展了大量研究工作，普遍認(rèn)為將纖維增強(qiáng)材料與純 SiO?氣凝膠復(fù)合是增強(qiáng)力學(xué)強(qiáng)度最為有效的方法之一。玻璃纖維、陶瓷纖維、碳纖維等纖維材料的加入，為 SiO?氣凝膠提供了有力的支撐結(jié)構(gòu)，顯著提升了其力學(xué)性能。在航空航天領(lǐng)域的一些結(jié)構(gòu)部件中，纖維增強(qiáng) SiO?復(fù)合氣凝膠能夠在保證隔熱性能的同時(shí)，滿足一定的力學(xué)承載要求，如在深空探測(cè)器的某些結(jié)構(gòu)件或返回艙底座等部位，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境。 有機(jī)聚合物復(fù)合 SiO?氣凝膠： 有機(jī)聚合物是指高聚物分子通過粒子間的氫鍵、范德華分子力相互作用而形成具有超高性能的有機(jī)化合物。其獨(dú)特的屬性使其在材料領(lǐng)域占據(jù)重要地位，成為克服純 SiO?氣凝膠脆性缺陷的潛在替代品。在實(shí)際應(yīng)用中，聚合物常因高溫穩(wěn)定性差而受限。近年來(lái)，為實(shí)現(xiàn)協(xié)同提升 SiO?氣凝膠復(fù)合材料的保溫隔熱和機(jī)械強(qiáng)度等性能，諸多學(xué)者將有機(jī)聚合物和純 SiO?氣凝膠作為相互增強(qiáng)材料和填充材料開展了大量研究工作。常見的有機(jī)聚合物包括聚氨酯、聚酰亞胺、酚醛樹脂、陶瓷樹脂、聚丙烯/聚苯乙烯等高分子合成材料。當(dāng)這些有機(jī)聚合物與 SiO?氣凝膠復(fù)合后，能夠得到隔熱性能和機(jī)械強(qiáng)度更佳的復(fù)合材料，有望解決航空航天領(lǐng)域材料在保溫隔熱和力學(xué)強(qiáng)度同步提升的技術(shù)瓶頸。不過，目前有機(jī)聚合物對(duì) SiO?氣凝膠的保溫隔熱、機(jī)械強(qiáng)度以及其他性能的影響作用機(jī)制尚未完全明晰，這仍是當(dāng)前復(fù)合材料領(lǐng)域研究的重難點(diǎn)之一。 金屬材料復(fù)合： 在材料科學(xué)領(lǐng)域，SiO?氣凝膠與金屬材料的復(fù)合是一項(xiàng)極具創(chuàng)新性的工作。通過與金屬材料，如鋁、銅等復(fù)合，SiO?氣凝膠復(fù)合材料的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性得到強(qiáng)化，應(yīng)用范圍也得到拓展，尤其在高強(qiáng)度和特定功能性方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。金屬與 SiO?氣凝膠間納米尺度的相互作用，確保了兩種材料能夠有效結(jié)合，共同發(fā)揮各自的長(zhǎng)處。由此制造出來(lái)的復(fù)合材料不僅具備 SiO?氣凝膠的輕質(zhì)和高隔熱性能，還擁有金屬的高強(qiáng)度和良好的導(dǎo)電性能。在電磁屏蔽領(lǐng)域，SiO?氣凝膠金屬?gòu)?fù)合材料憑借金屬的導(dǎo)電特性，能夠有效防護(hù)電磁干擾，在通信和電子產(chǎn)品領(lǐng)域有著重要意義。此外，由于金屬可提升材料的熱穩(wěn)定性，該復(fù)合材料也適用于高溫環(huán)境下運(yùn)作的設(shè)備，如某些高溫工業(yè)爐窯的隔熱與防護(hù)部件等。但在生產(chǎn)過程中，需要精確控制金屬和 SiO?氣凝膠的比例及反應(yīng)條件，以實(shí)現(xiàn)兩者間的最優(yōu)結(jié)合效果，從而使復(fù)合材料發(fā)揮出最佳性能。 納米材料復(fù)合： SiO?氣凝膠與納米材料的復(fù)合通常以功能多樣化為目標(biāo)。例如，將 SiO?氣凝膠與碳納米管結(jié)合，得到的復(fù)合材料在保持原有隔熱特性的基礎(chǔ)上，增加了電導(dǎo)性，使其在電子設(shè)備的熱管理和電磁屏蔽領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。石墨烯的引入不僅增強(qiáng)了 SiO?氣凝膠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，還提升了其導(dǎo)熱性，這對(duì)于要求快速熱傳導(dǎo)的應(yīng)用場(chǎng)景，如高性能電子芯片的散熱等尤為重要；納米銀和納米銅的引入則賦予了 SiO?氣凝膠顯著的抗菌性能，在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域具有重要價(jià)值，可用于制造具有自凈化能力的表面涂層或醫(yī)療器械，有效減少病原體傳播。SiO?氣凝膠納米復(fù)合材料的開發(fā)充分展示了納米技術(shù)在提升傳統(tǒng)材料性能和功能方面的巨大潛力。 三、SiO?氣凝膠復(fù)合材料與常規(guī)材料的性能對(duì)比及應(yīng)用領(lǐng)域** 性能對(duì)比： 與其他常規(guī)材料相比，SiO?氣凝膠復(fù)合材料具有多方面的性能優(yōu)勢(shì)。在保持輕質(zhì)、高孔隙率的同時(shí)，其整體的機(jī)械強(qiáng)度和耐用性得到了大幅提高。在隔熱性能和聲學(xué)性能方面，一般均能超越單一材料，特別適用于對(duì)隔熱和吸音性能有高要求的環(huán)境，如建筑的隔熱保溫層、聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室的隔音設(shè)施等。此外，SiO?氣凝膠復(fù)合材料的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性較好，這為其在化工和醫(yī)療領(lǐng)域開辟了新的應(yīng)用可能，例如在化工管道的防腐涂層、醫(yī)療植入物的表面修飾等方面都有潛在的應(yīng)用價(jià)值。 應(yīng)用領(lǐng)域： 1.航空航天領(lǐng)域 在航空航天領(lǐng)域，SiO?氣凝膠復(fù)合材料有著廣泛而關(guān)鍵的應(yīng)用。從深空探測(cè)器的隔熱防護(hù)，到太陽(yáng)能翻板的保溫與減重，再到航天飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、固體火箭助推器的耐高溫與隔熱，以及返回艙底座的結(jié)構(gòu)支撐與隔熱等方面，都離不開 SiO?氣凝膠復(fù)合材料的身影。例如，在深空探測(cè)器長(zhǎng)時(shí)間的太空探索任務(wù)中，惡劣的宇宙環(huán)境對(duì)材料的隔熱、耐高溫、力學(xué)性能等提出了極高要求，SiO?氣凝膠復(fù)合材料能夠有效地保護(hù)探測(cè)器內(nèi)部的儀器設(shè)備免受極端溫度的影響，同時(shí)減輕整體重量，提高能源利用效率。 2.建筑領(lǐng)域 傳統(tǒng)砂漿和混凝土：砂漿和混凝土作為基建設(shè)施的基礎(chǔ)材料，穩(wěn)定性和耐久性至關(guān)重要。SiO?氣凝膠的引入，可在不犧牲傳統(tǒng)材料強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前提下，提高其節(jié)能性能。其獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)和低熱導(dǎo)率使其成為理想的隔熱添加劑，能顯著減少熱能傳遞，降低能源消耗，提高能源效率。無(wú)論是新型設(shè)施的建設(shè)還是舊設(shè)施的節(jié)能改造，都可應(yīng)用 SiO?氣凝膠復(fù)合材料。但在應(yīng)用過程中，需精準(zhǔn)確定其添加比例，以確保材料的機(jī)械強(qiáng)度、耐久性和工作性能不受損害，這需要深入的材料科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 墻體涂料：與傳統(tǒng)涂料相比，SiO?氣凝膠涂料的隔熱性能更為出色，可有效降低室內(nèi)外溫度差異導(dǎo)致的能源損失。在內(nèi)墻表面涂覆該涂料，無(wú)需大規(guī)模結(jié)構(gòu)改造即可提升節(jié)能效果。而且涂層輕薄，不影響墻體美觀，應(yīng)用簡(jiǎn)便，易于普及。同時(shí)，SiO?氣凝膠涂料還具有較高的環(huán)境適應(yīng)性，能在不同氣候條件下穩(wěn)定工作。 外墻和樓頂材料：外墻和樓頂是房屋熱量交換的主要界面，其節(jié)能性能直接影響房屋整體能耗。將 SiO?氣凝膠復(fù)合材料應(yīng)用于外墻和樓頂?shù)母魺釋樱纱蠓档拖募镜睦鋮s需求和冬季的供暖能耗。該材料輕質(zhì)且易于加工，便于在現(xiàn)有設(shè)施上進(jìn)行改造與應(yīng)用，對(duì)于建筑節(jié)能具有重要意義。 玻璃：SiO?氣凝膠復(fù)合材料可增強(qiáng)玻璃的隔音效果，在中空、真空和夾層玻璃的生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，能顯著提高玻璃的熱效率和降噪能力。夏季，可有效減弱太陽(yáng)輻射，減少約 20％的熱損失，降低室內(nèi)溫度；冬季，能阻擋約 40％的室內(nèi)熱空氣流失，節(jié)能效果顯著。與傳統(tǒng)玻璃相比，其透光率較高，對(duì)室內(nèi)采光影響較小。目前主要有夾層玻璃和鍍膜玻璃兩種類型，夾層玻璃保溫性能好但成本高，鍍膜玻璃成本較低且透光率可達(dá) 88％。 3.能源領(lǐng)域 在熱水器的儲(chǔ)水箱、集熱器和管道系統(tǒng)中，SiO?氣凝膠復(fù)合材料也大顯身手。應(yīng)用于儲(chǔ)水箱和管道外層，可顯著降低熱能傳輸損失，提升集熱器效率，尤其在陽(yáng)光輻射不足時(shí)表現(xiàn)更為突出，有助于提高熱水器的整體能源效率，降低能源消耗。 四、SiO?氣凝膠復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)鏈與發(fā)展展望 SiO?氣凝膠企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋了從成膠、封裝，到電池包、儲(chǔ)能、軌道交通、建筑、管道等下游應(yīng)用的多個(gè)環(huán)節(jié)。從材料的前驅(qū)體到各種纖維如陶瓷纖維、玻璃纖維、泡棉等，以及封裝材料如 PET、PI 膜，熱熔膠、硅膠框等，同時(shí)也包括生產(chǎn)過程中的設(shè)備，如超臨界設(shè)備、熱壓機(jī)、模切設(shè)備等。整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展，推動(dòng)著 SiO?氣凝膠復(fù)合材料的不斷進(jìn)步與廣泛應(yīng)用。 隨著科技的不斷發(fā)展，SiO?氣凝膠復(fù)合材料的未來(lái)充滿無(wú)限可能。在研發(fā)方面，對(duì)于各種復(fù)合機(jī)制的深入研究將持續(xù)進(jìn)行，如氧化物復(fù)合氣凝膠的耐高溫性提升機(jī)制、纖維骨架與 SiO?氣凝膠顆粒間的耦合作用機(jī)制、有機(jī)聚合物分子/SiO?復(fù)合氣凝膠顆粒間的黏結(jié)、排列和分子力作用機(jī)制等，有望進(jìn)一步提升材料的性能。在應(yīng)用領(lǐng)域，除了現(xiàn)有的航空航天、建筑、能源等領(lǐng)域，可能會(huì)拓展到更多新興領(lǐng)域，如智能穿戴設(shè)備的隔熱與功能增強(qiáng)、新能源汽車的電池?zé)峁芾砼c輕量化等。同時(shí)，隨著生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)和成本的逐步降低，SiO?氣凝膠復(fù)合材料將更加普及，為人們的生活和社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)更多的便利與效益，在全球材料科學(xué)領(lǐng)域持續(xù)書寫輝煌篇章，成為推動(dòng)各行業(yè)技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新的重要力量源泉。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_563716.html 來(lái)源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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