气凝胶到底是什么材料?

如果要问世界上最轻的东西是什么?很多小伙伴也许会说最轻的是棉花,一片羽毛或是蒲公英等等。

在国际顶级权威学术杂志《科学》第250期中,列出了可以改变世界的十种新材料,而在这些新材料中有一种材料因为其独占多项世界纪录,位居十大新材料之首。

?这种材料只比等量空气的重量要重一点点,但是却能抵抗1400摄氏度的高温,这比大多数金属熔点都要高,全世界的科学家都为它的这些独特性能所吸引,它的名字就是气凝胶。

一定浓度的高分子溶液或溶胶在特定的条件下,粘度就会逐渐增加,最后会失去液态的流动性,整个形态就会变成一种外观均匀,并保持一定形态的弹性半固体,而这种弹性半固体就被称为凝胶。

? ? ? ? 像我们小时候都喜欢吃的果冻就是常见的一种凝胶,这种凝胶是依靠水和其它液态充满内部后形成的,而在凝胶中充满气体就会变成另一种凝胶,这就是气凝胶。

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气凝胶的特点

气凝胶是世界上最轻的固体材料,这也被列入了基尼斯世界纪录,因其颜色呈现出淡蓝色,因此也被称为“蓝烟”,也有人将其称为“固体空气”。

在阳光的照射下气凝胶几乎透明,重量也非常的轻,气凝胶内部99.8%的是空气,而密度只有同样原材料是二氧化硅玻璃的千分之一,这些很轻的气凝胶只要一抽掉空气密度甚至就会比空气还低。

气凝胶是一种内部有很多空隙的固态物质,里面充满了空气,把它拿在手上看上去就像凝固的烟,非常轻盈,这种材料看起来脆弱不堪,但其实非常的坚固牢靠,气凝胶可以承受超过自身重量1000倍的压力。

气凝胶具有纳米级的孔隙,这使得不管是冷空气还是热空气都很难穿透它们,是目前热导率最低的固体材料,因此气凝胶也被用作设备的隔热。

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气凝胶发展

虽然说气凝胶是新型材料,但是早在1931年美国科学家就用二氧化硅首先制造出了气凝胶。

在20世纪40年代,气凝胶开始得到应用,有美国公司将气凝胶用作一些牙膏和化妆品的添加剂。

由于当时受到技术和设备的限制,制备气凝胶非常的困难,所以在随后的几十年里气凝胶的发展相对来说就是停止不前的,以至于人们都忘记了这种材料。

20世纪70年代,法国人实验出了气凝胶的快速制备方法,并且在航空航天领域使用,从此很多国家也加快了气凝胶的研发,气凝胶也迎来了快速发展。

到了21世纪随着气凝胶制备技术的成熟,气凝胶开始慢慢的产业化,从实验室走出来变成各种高科技产品。

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气凝胶的制造过程

气凝胶不但拥有独特的性能,也是最漂亮的材料之一,有特定形状的气凝胶看起来就像全息摄影作品一样,非常的漂亮。

来看看气凝胶是怎么样从各种化学液体,变成这种神奇的固体材料的,制造气凝胶需要的四种原料是,硅酸甲脂,甲醇,浓氨水以及水。(实验室制造的气凝胶,工业生产跟这个还是有区别的)

将一定量的硅酸甲脂和甲醇倒入底部含有搅拌珠的烧杯中,再将烧杯移到一台能产生旋转磁场的设备上,磁场能让搅拌珠旋转将烧杯中的两种材料搅拌均匀,然后将这种混合物倒入装有水,氢氧化铵和甲醇的更大烧杯中,此时一场化学反应就将发生,这些混合物会形成凝胶。

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但在凝胶形成之前还有做好模具,将混合物液体倒入长方形格栅模具中,让其形成凝胶,为防止凝胶在形成中混入其它物质,就需要在几分钟内让化合物迅速凝结,但要变得牢固则需要一天的时间。

凝胶的孔隙小到肉眼看不到,为了清理凝胶空隙中的杂质,就要反复将凝胶浸入甲醛中让甲醛渗入到凝胶空隙中清理掉杂质,甲醛在侵泡几天后凝胶就净化完成,之后这些凝胶要经过超临界干燥流程,这一步会将凝胶变成气凝胶。

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将凝胶放入到高压容器中,通过螺杆封闭容器,以抵御超过标准大气压100倍的压强,将输送液态二氧化碳的软管与高压容器相连,二氧化碳会替换掉溶胶空隙中的甲醛,然后对溶胶进行加热和施压,直到溶胶内部的二氧化碳处于超临界状态,也就是半液态和半气态,这一步是气凝胶制造过程重最关键的步骤。

?超临界的二氧化碳从中扩散出来,而且不会导致溶胶的固态框架崩塌,这一过程将凝胶变成了被空气占据了大部分空间的透明固体,这样气凝胶就制造完成了。

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气凝胶的应用

气凝胶被称为可以改变世界的十大型材料之一,而这种神奇的型材料之所以被认为可以改变世界的原因是,气凝胶就如同一种神奇的魔法材料,除了气凝胶本身具有的特殊性能外,当把它加入到其它金属,纺织等传统材料中时,传统材料就会被全面加强,从而成为各种高精尖科技的基础,让那些传统材料瞬间就变成可以改变行业的新材料。

气凝胶的诸多优点也让它在很多领域都成为理想的材料,气凝胶在被压缩后仍可恢复原状,这种多孔的结构让它的吸附性能极强,用气凝胶可以吸附水中的杂质和油污,甚至有科学家还用它来吸附水中的铅和水银,是理想的吸附材料。

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气凝胶还能成为理想的隔热和消声材料,应用到飞机潜艇上不但隔热消声效果极佳,还能有效减轻自身重量,节省燃料的同时速度还会更快。

利用气凝胶这种绝热材料制造的消防员防火服,能够在相当长的时间内隔绝高温,以保护消防员的安全,除此之外气凝胶还可以用于宇航服,抗寒服,日常生活中所使用的网球拍等体育用品,工业以及建筑中的隔热材料,车辆等交通运输材料等等。

拥有既轻便又坚固的特殊材料,一直都是人类的追求,新型气凝胶未来将走进我们生活中的衣食住行,随着气凝胶产业化步伐的加快,未来将在各个行业中起到引领行业变革的巨大作用,成为促进产业升级的催化剂。

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