气凝胶调研报告范本.doc

气凝胶调研报告1. 目的了解气凝胶的根本信息、研究现状、应用现状以与国相关厂家的信息，寻找其在功能玻璃上的应用2. 气凝胶概述2.1 气凝胶的概念凝胶〔gel〕指的是溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子在一定条件下互相连接，形成空间网状结构，结构空隙中充满了液体作为分散介质的特殊分散体系[1]气凝胶〔aerogel〕指的是当凝胶脱去大局部溶剂，凝胶中液体含量比固体含量少得多，或者凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体时，即湿凝胶中液体被气体取代同时保持网络结构，外表呈现固体状的物质称为气凝胶，一般又称为干凝胶〔xerogel〕[2]但是从严格的定义上来讲，气凝胶与干凝胶并非同一概念有文献指出，湿凝胶经过超临界枯燥得到的是气凝胶，经过常压枯燥得到的是干凝胶；气凝胶是块状结构，而干凝胶一般是粉体或者颗粒[3]图1 气凝胶2.2 气凝胶的开展气凝胶最早问世于1931年，由美国斯坦福大学的Samuel Stephens. Kistler[4]利用溶胶凝胶法结合超临界枯燥技术水解水玻璃的方法制备出具有完整网络结构的硅气凝胶，同时研究了硅气凝胶的性质，并预言气凝胶在催化、隔热、玻璃和瓷等领域的应用，但是由于受到制备工艺的限制，并未得到人们的足够重视。

1966年，J. B. Peri[5]利用硅脂经一步溶胶凝胶法制备出氧化硅气凝胶，推动了气凝胶的开展1974年粒子物理学家Cantin[6]等首次报道了较SiO2气凝胶应用于切伦科夫探测器探测高能粒子80年代，Tewari[7]对湿凝胶的枯燥工作进展研究，推动了硅气凝胶的商业化过程国最早于1955年，由同济大学波尔固体物理研究所对气凝胶展开研究随后，清华大学、东华大学等高校也对气凝胶展开研究2.3 气凝胶的分类按其组分，气凝胶可分为单组分气凝胶，如SiO2、Al2O3、TiO2、炭气凝胶〔有机气凝胶炭化后得到〕等；多组分气凝胶，如SiO2/Al2O3、SiO2/TiO2等目前研究最广泛、深入的气凝胶是单组分的SiO2气凝胶和炭气凝胶；其中以SiO2气凝胶的应用最为广泛[8]；炭气凝胶由于制备工艺复杂、原料昂贵、生产周期长等，产业化困难、市场难以承受[3]2.4 SiO2气凝胶的性质气凝胶也具有凝胶的性质，即膨胀作用、触变作用、离浆作用另外，气凝胶还具有以下性质[9, 10]：1) 极高的孔隙率：孔隙率可高达99.8%，如果将1立方厘米的气凝胶拆开，可将一个足球场填满；2) 纳米级空隙〔~20nm〕、三维纳米骨架颗粒〔2~5nm〕；3) 高比外表积，可高达1000m2/g；4) 低密度，可低至0.003g/cm3，仅为空气密度的2.75倍，作为世界最轻的固体，已入选吉尼斯世界纪录；5) 极低的热导率，常温下可低至0.013W/〔m·K〕，比空气的热导系数还低；6) 强度低，脆性大，添加颗粒、纤维等增强体可以提高强度和韧性。

表1给出了SiO2气凝胶的性能参数表1 SiO2气凝胶的性能参数[1]热导率25℃、1atm下为0.02W/〔m·K〕，固体物质中热导率最低的物质使用温度-273~650℃密度可低至0.003kg/m3比外表积可高达1000m2/g以上孔径尺寸1~100nm胶体颗粒尺寸1~100nm声学性能100m/s，添加纤维可大大提高隔音性能防火性A1级〔最高级〕折射率可低至1.025，接近空气介电常数超低的固体介电常数，<1.1综上，SiO2气凝胶是一种具有极低折射率、热导率、介电常数、高比外表积、对气体选择透过的、具有独特结构的纳米多孔网络结构的轻质材料2.5 气凝胶的制备气凝胶的制备一般包括溶胶-凝胶法制备湿凝胶和凝胶的枯燥的两个过程，如图2所示图2 气凝胶的制备工艺过程 溶胶-凝胶法制备湿凝胶[11, 16]：以无机物或金属醇盐作为前驱体，将前驱体溶于溶剂中，形成均匀的溶液，并进展水解或醇解缩合反响，胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶凝胶形成后，还需要进展老化，使溶液中溶胶离子和小凝胶团簇仍将继续和骨架上的悬挂基团反响、交联，进而形成整个凝胶网络凝胶的枯燥[8,12~14]：目前SiO2气凝胶的枯燥方法包括超临界枯燥和常压枯燥两种方式。

1. 超临界枯燥：高于液体的临界温度和临界气压的条件下去除湿凝胶中的液体，可以减少毛细管压力的影响，防止凝胶发生收缩和碎裂然而超临界枯燥反响条件苛刻，且具有一定的危险性该法可制备获得整块的气凝胶材料2. 常压枯燥：在常压下对湿凝胶进展枯燥，反响过程耗能小、操作简单、价格低，但是该过程中的毛细管效应容易造成气凝胶网络的坍塌，因此，该法制备的气凝胶材料多为粉末状目前研究中多采用老化措施，增强网络骨架，防止枯燥时网络骨架的相邻羟基发生不可逆缩聚而引起的凝胶网络收缩2.6 SiO2气凝胶的改性一般情况下，由于SiO2气凝胶外表存在大量亲水性基团硅羟基，在空气中容易吸水，同时反响交联形成结合力较强的硅氧键，使得分子键活动空间狭小，导致气凝胶的强度和韧性低[15]这就需要通过在制备过程中改良制备工艺条件或参加添加剂等方法来改善SiO2气凝胶的性能特征目前主要集中在疏水化改性和掺杂型改性两方面表2 SiO2气凝胶改性方法[11]疏水化改性外表后处理，即将SiO2气凝胶外表上的羟基活性基团进展惰性化置换，减少硅氧键的数量，降低交联程度原位聚合，在溶胶-凝胶体系中参加硅醇盐，经过溶胶-凝胶过程直接形成疏水性SiO2气凝胶掺杂型改性向SiO2气凝胶中掺杂一种多多种掺杂剂，获得不同功能的SiO2气凝胶，常用掺杂剂有TiO2、Al2O3、炭黑、瓷纤维和各种金属元素等2.7 气凝胶的应用由于气凝胶具有极低的折射率、热导率、介电常数、高比外表积、对气体选择透过等，因此它在力学、声学、热学、光学、电学性质方面都明显地不同于普通材料，是一种具有许多奇异性质和广泛应用的轻质纳米多孔性材料。

其应用如表3所示表3 气凝胶的应用[3, 10, 17]应用领域应用原理应用实例热学领域1. 当气凝胶材料中孔隙直径小于70nm时，气孔空气分子就失去了自由流动的能力，材料部处于近似真空状态，对流作用极小2. 材料气孔为纳米气孔且材料密度极低，使材料部气孔壁数趋于“无穷多〞，产生“无穷多遮热板〞效应，辐射传热下降到最低极限3. 由于无穷多纳米孔存在，热流在固体中传递只能沿着气孔壁传递，形成“无穷长路径〞效应，热传导能力下降到最低极限建筑节能领域：外墙保温板材、气凝胶玻璃、钢结构防火工业领域：热工设备、石油输运管道保温民用领域：太阳能热水器、户外用品科研领域：热电池隔热材料声学领域1. 气凝胶具有低声速的特性，2. 声阻抗可变围较大声学延迟、高温隔音；声阻耦合材料，潜艇上的水声反声材料光学领域纯洁的SiO2气凝胶是透明无色，折射率〔1.006~1.06〕非常接近空气，即SiO2气凝胶对入射光几乎没有反射损失光增透膜；切伦科夫探测器中的介质材料，用来探测高能粒子的质量和能量催化领域粒径小、高比外表积和低密度，使气凝胶具有催化剂的活性和选择性，且有效减少副反响发生催化剂、催化剂载体吸附领域高比外表积和孔隙率，空隙与外界相通防毒面具、除臭电学领域低介电常数，可通过改变密度调节介电常数值集成电路电化学领域炭气凝胶具有大的比外表积和高电导率、密度围广新型可充电电池、超级电容储氢领域高孔隙率、大比外表积储氢材料体育器械领域改性后的韧性和强度、轻质网球拍、登山鞋3. 气凝胶的市场状况3.1 气凝胶的研究与应用现状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、劳伦兹·利物莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室、日本高能物理国家实验室、BASF公司、美国阿斯气凝胶技术。

国主要集中在同济大学波尔固体物理实验室、纳诺高科股份、埃力生高新科技、美乔科材料科技等气凝胶全球重点的开展区域主要集中在美国、德国、英国，其中依托强大的技术开发实力和新产品开发力度，美国的应用领域尤为突出和领先美国已经成功将气凝胶应用于航天航空、新能源、建筑以与高级体育用品等方面我国气凝胶研究和开发方面尚属早期阶段，主要集中在高附加值的航空航天、医药等方面表4 气凝胶的应用现状[18-27]研发单位/申请人专利名称申请号公布日期应用/摘要南洋理工大学高孔隙度气凝胶3.52016.05.11本创造涉与用于生产高孔隙气凝胶的方法，尤其是绞捻碳纤维〔TCF〕和碳微带〔CMB〕气凝胶，其中提供碳原料并在惰性气体气氛和减压下降所述碳原料加热至900℃本创造还包括由此获得的气凝胶与其用途，尤其是用于处理废水纳世新材料XX公司气凝胶防噪音耳塞2.12015.10.28本创造涉与一种气凝胶防噪音耳塞，包括主体，主体包括至少一段隔音段，隔音段由聚脲气凝胶制成上述气凝胶防噪音耳塞的而英短有聚脲气凝胶制成，由于聚脲气凝胶层的聚脲纳米纤维和纳米粒子自组装层的微纳级多孔结构能够有效衰减声波能量，因此，本申请的气凝胶防噪音耳塞能够到达隔音降噪的效果，且隔音效果好。

市牛勿耳关电器科技一种气凝胶炸弹4.72014.04.23本创造提供一种气凝胶炸弹，其特征在于由破甲部和气凝胶炸弹组成，近目标50米时，先发射破甲部，破甲部用20-50KG聚能炸药炸开甲板，然后继续推进气凝胶炸弹从炸开的缺口进入舱，气凝胶炸弹由引爆腔和混合爆燃剂组成，引爆腔7-13%质量的甲基三硝胺，13-87%质量的爆燃剂由丙烷与三氢化铝粉末混合物和少量磷粉，先引爆甲基三硝胺，将混合物与磷粉抛散在舱与空气混合形成气凝胶，然后磷粉自燃再次引起爆炸，这样采用爆燃剂与舱空气形成气凝胶炸弹，可以节省大量氧化剂，并形成高轻度爆炸冲击，增加3-10倍的毁伤能力，用于制作鱼雷，进展反潜艇和反舰作业卡伯特公司含气凝胶的垫层5.12008.02.13本创造公开一种生产垫层的方法，该方法可以包括形成疏水性气凝胶、纤维和至少一种润湿剂的水性浆液，枯燥该水性浆液以形成根本枯燥的产品，并压延该根本枯燥的产品以形成垫层该垫层可以用于许多应用，包括窗户斯攀气凝胶公司气凝胶绝缘面板与其制造6.22015.12.23本创造提供关于自气凝胶作成的绝缘面板的物件和制造方法，且具体为聚酰亚胺气凝胶这些绝缘面板具有广泛应用，具体包括航空航天应用。

倍立达新材料系统工程股份气凝胶复合GRC保温隔音板0.32015.07.29本创造公开一种气凝胶复合GRC保温隔音板，包括：GRC装饰层、GRC结构层、气凝胶层GRC装饰层上复合有GRC结构层，再与气凝胶层相连；气凝胶层反面根据结构设计需求可再复合GRC结构加强层；气凝胶层与GRC结构层级之间通过改性粘结剂粘接产品通过GRC和气凝胶层之间涂覆含有气凝胶颗粒的粘结剂，提升气凝胶层与GRC层的粘结性能，并提升力学强度，具有装饰、保温、防火、隔音的优点比亚迪股份一种复合气凝胶与其制备方法9.72013.03.26本创造提供一种符合气凝胶，所述符合气凝胶包括作为衬底的第一气凝胶块体和在衬底外表生长而成的第二气凝胶块体本创造还提供了所述符合气凝胶的制备方法本创造提供的复合气凝胶，能兼具所含各层气凝胶的不同功能，同时各层之间具有良好的附着力，且具有完整统一的气体通道，孔隙变化小，不会对气体的穿透产生不利影响埃力生高新科技一种一元或多元气凝胶隔热材料与其制备方法。