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快来见识一下新一代超级保温材料——高性能纳米气凝胶

[发布日期:2015-11-06 15:56:13]

  为大家带来一组关于气凝胶的炫图!

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气凝胶是一种10纳米粗细的玻璃泡沫气泡

  气凝胶的多孔结构中,空气占有高达99.8%的体积,因此,密度极低(0.003-0.1g/cm3),被称为“被冻结的烟”(frozen smoke)。以二氧化硅气凝胶为例,因为气凝胶中的二氧化硅粒子极小,所以,一般气凝胶呈现透明或是半透明,化学性质,类似于普通玻璃。由于空气的折射率为1,使得空气占有99.8%体积的气凝胶,具有低折射率与低热传导系数(0.013-0.4w/mk)

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电子显微镜下扫描气凝胶的照片

  微小气泡有着惊人的绝热效果,比玻璃纤维好40倍。

  有鉴于气凝胶的低热传导(隔热性能)、高透光、低折射率,以及防火等优越性能,若能依照建筑物围护主要三大区域:屋顶、外墙与窗户,以气凝胶为基础材料,开发此三大构造的节能建材,将会提升建筑围护的节能效益。

  近年来,随着能源价格的高涨与环境污染,所造成的气候变迁,节能减碳,已成全世界民众朗朗上口的口号。要达到节能减碳的目标,有许多可实行的方式,其中,有效抑止热量的散失或进入系统,是其主要的技术之一。为达到有效抑止热量散失和进入,低的热传导系数与其有着密不可分的关联。

  材料若是只能顾其热传导系数,而丧失其他功能,是不会被使用的,所以,须考虑材料的耐候性、耐磨性、防水性、自洁性等。隔热主要的目的,在于阻止热量经由传导(conduction)、对流(convection)或辐射(radiation)等3种方式传递或抑制经其他组合方式进行热的传递;流体中热的传递,是藉由流体内粒子碰撞进行;固体中热的传递主要可由声子(phononic crystals)传递所达成,或者可将其视为晶体藉由热能引发弹性波来达成。传导、对流及辐射,为热能主要的传递方式,其中,又以传导方式,对热能传递的影响最大,热能传导效率,则需视传导介质种类而定,一般而言,固体介质比气体介质分子距离较短且堆积紧密,易产生分子间的碰撞,因而具有较高热传导系数,因此,若以孔洞材料,来取代固体实心材料,其导入的气体介质,具有较低热传导系数,可以降低实心固体的传热,即增加固体内孔隙数量,可增加热能散射及折射的机率,降低热能在固体中传递的能量与速率。

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  由于气凝胶的优质绝热性能,火焰高温未能将气凝胶上面的火柴点燃。

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气凝胶板在OMSI屋顶,保持建筑温暖,让光线透过

  这样的物质,拥有许多俗名与昵称,如:冻结的烟雾(frozen smoke)、固态的烟雾(solid smoke)、固态的空气(solid air)、蓝烟(blue smoke)、旧金山之雾(San Fransisco fog)等,而这些都源自于它的透明性与物质中的光线散射能力。不过,这种物质的触感,却像是聚苯乙烯一般。

  气凝胶最引人注目的,是它良好的隔热能力。Samuel Stephens Kistler在1931年发明气凝胶。而这一切是因为他与Charles Learned之间的赌注,竞争看谁有办法,将凝胶里的液体成分,用气体取代,却不使发泡的间壁收缩崩塌。最后Kistler办到了。

  气凝胶的性质

  此物质极轻。其密度大约为3mg/cm3仅仅为空气的三倍重。(由Larry Hrubesh领导的LLNL实验室,首先制备出世界上密度最小的CO2气凝胶)

  尽管气凝胶里有个“胶”字,但它其实是坚硬而干燥的物质,就其物理性质与胶体一点也不类似。被称为“胶”,是由于它的制造过程提取于凝胶。提起指尖,轻轻在凝胶表面按压一下,并不会留下痕迹;如果以加重的力道按压,会造成永久的凹陷;而加上足够的力量,会让它如玻璃般破碎散落成块。这个便是我们所知道的易脆性。

  虽然它具有破碎的倾向,但是以结构来说,它仍是非常坚固的。它优秀的负载能力,是源于其分子的组成:大约尺寸为2到5纳米的球形聚合粒子互相结合成一个个小单元,进而组合成树突状的微观立体结构。这些小单元会形成分形链状的三维结构,其间充塞著大量的孔洞,每个孔洞尺寸不大于100纳米。而这些孔洞的聚集密度以及个别的平均大小能够经由制造过程加以控制。

  气凝胶是优良的热绝缘体,一寸厚的气凝胶,相当于20至30块普通玻璃的隔热功能。气凝胶几乎能阻绝由三种传热方式(热传导、热对流、热辐射)带来的热量转移。凝胶中空气的成分比例,至少占99.8%以上,而空气为热的不良导体,故它们是好的热传导隔绝材料(不过,金属凝胶,在作为绝缘体的用途时,就不是那么有效)。例如硅凝胶,由于硅也为热的不良导体,其隔绝性能又更加良好了。就热对流的方式而言,因为空气无法跨越凝胶表面行对流作用,他们也是好的热对流隔绝材料。

  气凝胶本身的性质是具亲水性的,但是借由化学制程可将它改变为具疏水性。凝胶在逐渐吸收水汽的过程中,会经历分子结构的变动,如同尺寸缩水,甚至完全被毁坏。借由改变凝胶对于水汽的接受度才能改善毁坏的现象。即使有裂缝穿过胶体表面,那些内部被化学制程强化过的样品对水汽的抵抗作用也会好过于那些只仅仅强化分子表层的样品。而疏水性制程能促进胶体加工过程的便利性,因为这样就便于使用水刀切割了。

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气凝胶拥有强大的隔热功能

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  一块重2.5公斤的砖块,由一块重2克的气凝胶支撑着。

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气凝胶因散射呈蓝色

  气凝胶的安全性

  气凝胶的安全性,取决于其制造的物质成分。部分气凝胶组成成分中,含有致癌物质或毒素。目前,以硅为基本材质的气凝胶,还未发现具有致癌或含毒的性质。不过,硅气凝胶会刺激人的眼睛、皮肤、呼吸道和消化系统,并且一旦接触,会造成皮肤黏膜的干涩。因此,建议当持着硅凝胶时,最好配备着护目镜以及手套,以避免受到伤害。

  气凝胶的发展

  随着加入到这个领域的研究人员的增加,气凝胶科学技术有了快速发展。20世纪80年代初期,粒子物理学家认识到SiO2气凝胶将是气凝胶切连科夫计数器(Aerogel Cherenkov Counter)粒子鉴别器(见切连科夫效应)的理想介质材料,试验需要大量的透明SiO2气凝胶。他们使用TMOS方法,制造了两个大探测器:一个是在德国汉堡的DESY实验室的TASSO探测器,使用了1700升气凝胶;另一个是欧洲粒子物理研究所(CERN)制造的探测器,使用了由瑞典隆德大学制备的1000升气凝胶。现在日本高能加速器研究机构B介子工厂的Belle实验侦测器中,也使用气凝胶切连科夫计数器。这个侦测器利用的气凝胶,介于液体与气体之低折射系数特性,以及其高透光度与固态的性质,优于传统使用低温液体或是高压空气的作法。

  气凝胶在太空侦测上,也有多种用途,在俄罗斯的和平号太空站和美国的火星探路者上都有用到这种材料。

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  NASA(美国航空航天局)华人科学家邹哲(Peter Tsou)和气凝胶样本

  这样做的好处是它不会太破坏原来的房屋结构,仅占用1英寸不到的内墙空间。

  气凝胶具有这么好的性能,如果当做保温材料与建筑节能领域,那么现在流行的那些膨胀聚苯板、挤塑聚苯板、聚氨酯、岩棉等等保温材料分分秒被淘汰掉。实际并不尽然,在外墙保温领域的应用,气凝胶的发展还刚刚开始。如果你认为现在可以用于保温的气凝胶产品是刚才那个摸样的话,你就错了。现在已经有厂家能够推出来的与棉制品复合而成的气凝胶保温材料,如下下列图所示:

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来源:国产建筑节能大师