气凝胶与传统的“凝胶”概念有着根本的不同。它是一种密度为3 kg/m³的固体材料。由于其极低的密度,它也被称为“冻结的烟雾”或“蓝烟”;1931年S. Kistler利用超临界干燥方法成功制备了SiO2气凝胶,因此获得了吉尼斯世界纪录“最轻固体”的称号。气凝胶成分中超过80%是空气,因此具有优异的隔热性能。一英寸厚的气凝胶相当于20到30块普通玻璃的隔热效果。即使将玫瑰放在火焰和气凝胶之间,玫瑰也能毫发无损。
气凝胶在太空探索中有着多样化的应用。它曾被用于俄罗斯“和平号”空间站和美国“火星探路者”探测器。在粒子物理实验中,气凝胶用作切伦科夫效应的探测器。一个例子是 B 介子工厂 Belle 实验探测器中的气凝胶切伦科夫计数器(ACC),它利用气凝胶介于液体与气体之间的低折射率,以及其高透明度和固体特性,超越了使用低温液体或高压空气的传统方法。其轻质特性也是一大显著优势。
气凝胶作为一种具有纳米级结构的多孔材料而独树一帜,其孔隙结构不同于传统材料中微米级和毫米级的孔隙。其精细编织的纳米结构造就了极低的导热系数和极大的比表面积。它对光和声的散射显著少于传统多孔材料。这些独特性质不仅激发了基础研究的兴趣,也在各个领域具有广泛的潜在应用。
a. 防弹涂层: 实验室实验表明,在金属板上涂覆6mm厚的气凝胶层,可使其免受直接爆炸的影响。
b. 吸收性涂层: 吸收雷达波的涂层,实现隐身效果。
c. 储能装置
d. 高科技强激光研究
作为航空航天领域的早期进入者,气凝胶拥有众多神奇的特性。要预测其未来应用,需要社会和行业发挥想象力,推动这种新材料走出实验室,实现其实际价值。
工业领域: 对于电力储能和石油化工等行业中需要管道隔热或炉体隔热的区域,气凝胶复合隔热材料至关重要。
建筑领域: 应用包括建筑外墙和内墙的隔热,以及在玻璃幕墙中使用气凝胶玻璃。
交通领域: 纳米多孔气凝胶复合隔热材料应用于高速列车、国产C919飞机及新能源汽车,主要用于交通工具的保温隔热以及新能源汽车锂离子电池的保护。
家用隔热与冷链物流: 替代传统材料,纳米多孔气凝胶复合隔热材料用作保温层,以增强隔热性能并增加内部容积。
功能装备: 在制造气凝胶夹克和户外产品时使用超薄气凝胶层,带来无与伦比的保暖效果,实现更轻、更薄、更暖的目标。
与传统保温材料相比,纳米多孔气凝胶复合隔热材料的保温效果优越3-5倍。这意味着优异的节能保温性能、更薄的材料厚度、更低的整体成本,且该材料作为安全、环保、无毒的无机物固有特性确保了其长使用寿命。
二氧化硅气凝胶是最常见的商业化形态,是一种SiO2纳米多孔网络,可提供上文所述0.019至0.021 W/(m·K)的导热系数。本站介绍的气凝胶隔热毡、气凝胶板和气凝胶(隔热)膜大多以二氧化硅气凝胶为基材制成。
纳米气凝胶的特征在于其孔隙小于空气的平均自由程(约70 nm),从而抑制对流。正是这种纳米多孔结构,而非块体材料本身,使气凝胶的隔热性能远超其重量所能预期的水平。
根据GB/T 10294和GB/T 10295标准,通过防护热板法测量,气凝胶在25°C时的导热系数约为0.019至0.021 W/(m·K)。它是所有固体隔热材料中导热系数最低的之一,也是买家应向供应商索取检测报告确认的数据。
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