你還不了解的那些新誕生的新材料呢?今天巖拓和大家講解下氣凝膠保溫材料真空絕熱板、FTC保溫材料復(fù)合自保溫砌塊的區(qū)別。

真空絕熱板

真空絕熱板(VIP板)是真空保溫材料中的一種,是由填充芯材與真空保護(hù)表層復(fù)合而成,它有效地避免空氣對(duì)流引起的熱傳遞,因此導(dǎo)熱系數(shù)可大幅度降低,可以達(dá)到0.002-0.004w/m.k,為傳統(tǒng)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的1/10。

真空絕熱版的應(yīng)用:

國(guó)內(nèi)開始制造并采用真空絕熱板VIP板改良冰箱隔熱層,整個(gè)冰箱制造業(yè)似乎刮起了一陣真空絕熱板VIP板應(yīng)用試驗(yàn)的大風(fēng)潮,再反觀國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)真空絕熱板VIP板的研究和使用已經(jīng)有十多年的歷史,以及二十世紀(jì)中國(guó)制造業(yè)的崛起與國(guó)家節(jié)能政策的頒布實(shí)施,真空絕熱板VIP板這種超強(qiáng)新型的保溫材料正被商家所關(guān)注,市場(chǎng)前景廣闊。

真空絕熱板VIP板主要用于保溫絕熱,如家用冰箱、游艇冰箱、迷你冰箱、車載冰箱、深冷冰柜、電熱水器、自動(dòng)販賣機(jī)、冷凍箱、冷藏集裝箱、建筑墻體保溫和LNG儲(chǔ)運(yùn)等。

冷藏設(shè)備應(yīng)用

冰箱采用真空絕熱板VIP板隔熱

可以節(jié)能10%~30%,并且增加有效容積20%-30%。盡管真空絕熱板VIP板的價(jià)格還偏高,但用戶使用冰箱7~10年節(jié)約的電費(fèi),已相當(dāng)于冰箱采用真空絕熱板VIP板隔熱增加的費(fèi)用。采用真空絕熱板VIP板隔熱,除了經(jīng)濟(jì)意義外,還有冰箱重量輕,體積小的優(yōu)點(diǎn)。冰箱門和冷凍箱的上開門,要求質(zhì)輕、壁薄,采用真空絕熱板VIP板隔熱有較大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。

以蓄冷材料維持低溫的冷藏箱

用PU或PF保溫時(shí),保溫期只有1~2天;采用真空絕熱板VIP板隔熱材料后,保溫期延長(zhǎng)至4~5天,使原來必須空運(yùn)的物品,可以改用卡車運(yùn)輸或者火車運(yùn)輸,大幅度降低了運(yùn)輸費(fèi)用。

冷藏保溫箱

在內(nèi)裝保溫物品相同的情況下

  • 用PU泡沫時(shí),外形尺寸57cm×50cm×50cm,保溫層厚度3.8 cm,內(nèi)裝21.8 kg冷卻劑,保溫期120 h;
  • 用真空絕熱板VIP板隔熱時(shí),外形尺寸33cm×46cm×28cm,保溫層厚度2.5cm,內(nèi)裝7 kg 冷卻劑,保溫期200 h。

采用真空絕熱板VIP板新材料后,保溫箱體積減少70%,冷卻劑減少68%,而保溫期則延長(zhǎng)66%。減少了運(yùn)費(fèi),提高了運(yùn)距,經(jīng)濟(jì)效果明顯。

真空絕熱板VIP板優(yōu)勢(shì)

同其它材料相比,真空絕熱板VIP板以其極低的導(dǎo)熱系數(shù),在保溫技術(shù)要求相同時(shí)有保溫層厚度薄、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn),適用于節(jié)能要求較高的產(chǎn)品,有較大技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。

真空絕熱板VIP板狀況

國(guó)內(nèi)研發(fā)真空絕熱板的企業(yè)屈指可數(shù),國(guó)內(nèi)的vip真空隔熱板質(zhì)量與國(guó)外也有些差距,但是憑借著中國(guó)制造的低成本和低碳經(jīng)濟(jì)的備受關(guān)注,使我們?cè)谑袌?chǎng)上也有一席之地。

真空絕熱板VIP板芯材區(qū)分

vip真空絕熱板芯材主要有粉體芯材和玻纖芯材,粉體芯材采取二氧化硅為材料的真空絕熱板,導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較高,主要應(yīng)用在墻體保溫;而玻纖芯材的真空絕熱板導(dǎo)熱系數(shù)較低,主要應(yīng)用于冰箱、冰柜、冷藏車的節(jié)能保溫。


FTC保溫材料

FTC保溫材料是新型的無機(jī)保溫蓄能節(jié)能材料,簡(jiǎn)稱FTC,達(dá)到A級(jí)防火保溫材料,由多種無機(jī)非金屬合纖維礦物質(zhì),經(jīng)精選細(xì)化深度加工并輔以多種無機(jī)化學(xué)添加劑及相變蓄能材料科學(xué)配比而成。外觀成粉末纖維散狀,不結(jié)塊,現(xiàn)場(chǎng)直接加水?dāng)嚢璩筛酄铙w,抹于墻體表面上密封整體,隨物成型。 由于所選用材料全部是天然無機(jī)礦物質(zhì),其獨(dú)特的物化性能非常穩(wěn)定,是有機(jī)保溫材料無法比擬的。該保溫材料用于墻體保溫,不但大大提高墻體的保溫阻熱性能,而且成本低,施工程序同常規(guī)瓦工抹水泥沙漿工法一樣方便快捷。不但節(jié)省了抹墻體內(nèi)外兩側(cè)水泥砂漿的原料費(fèi)用,還能大大降低工程造價(jià),從而又能達(dá)到國(guó)家的民用建筑節(jié)能65%標(biāo)準(zhǔn)要求。我國(guó)東北高寒地區(qū)采用內(nèi)外加強(qiáng)性的保守保溫設(shè)計(jì)施工方法,值得借鑒和推廣。

FTC自調(diào)溫相變保溫材料的一個(gè)民間的簡(jiǎn)稱,并沒有用作相變保溫材料的縮寫,也沒有獲得學(xué)術(shù)界命名認(rèn)可。

簡(jiǎn)單說就是把具有一定相變能力的材料(簡(jiǎn)稱PCM)通過某種方法,使其進(jìn)入到多孔的基材中,利用基材多孔的超大比表面積吸附固定住PCM材料。然后將固定了PCM材料的基材摻入保溫砂漿中,以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的調(diào)溫。

ftc變相保溫材料又稱ftc保溫砂漿。該材料是以?;⒅轭w粒、漂珠、水鎂石纖維等為骨料,利用特殊相變材料不同溫度相變點(diǎn)的二元相變儲(chǔ)能機(jī)理,突破了傳統(tǒng)保溫材料的單一熱阻性,兼有熱熔和熱阻性的雙項(xiàng)功能。然后將這些骨料摻入到相應(yīng)的保溫膠粉料當(dāng)中,組成ftc保溫漿料,涂抹施工到保溫墻面,形成保溫層,從而以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的調(diào)溫。該材料屬于A級(jí)不燃保溫材料,符合各類建筑防火要求。

ftc保溫材料適用范圍

FTC相變保溫材料適用于工業(yè)與民用建筑、各類建筑的外墻外保溫(涂料或貼裝等飾面);外墻內(nèi)保溫;分戶隔墻、吊頂、樓梯間、屋面、頂棚等需要隔聲、保溫隔熱的部位。


復(fù)合自保溫砌塊

復(fù)合自保溫砌塊是由空心結(jié)構(gòu)的主體砌塊、保溫層、保護(hù)層及連接主體砌塊與保護(hù)層并貫通保溫層的“連接柱銷”組成,為確保安全,在連接柱銷中設(shè)置有加強(qiáng)鋼絲。主體砌塊有盲孔、通孔、填充三種構(gòu)造形式。

根據(jù)不同建筑的具體要求,通過保溫層材質(zhì)、厚度,粗細(xì)集料品種、配比,保溫連接柱銷的斷面構(gòu)造、個(gè)數(shù)等可調(diào)整參數(shù)的相應(yīng)設(shè)置,調(diào)整各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo),以期最大限度地滿足市場(chǎng)需求。滿足節(jié)能50%~75%的要求;抗壓強(qiáng)度5.0MPa~15MPa,滿足承重、非承重要求,適合生產(chǎn)承重型自保溫砌塊。

主體砌塊的內(nèi)、外壁間、主體砌塊與外保護(hù)層間,是通過“L型T型點(diǎn)狀連接肋”和“貫穿保溫層的點(diǎn)狀柱銷”組合為整體,在柱銷中設(shè)置有鋼絲。在確保安全的前提下,最大限度地降低冷橋效應(yīng),具有極其優(yōu)異的保溫性能.

復(fù)合自保溫砌塊性價(jià)比

1、具有極其優(yōu)異的保溫性能和性價(jià)比

(1)、非承重型:容重800㎏/m&sup3;、抗壓強(qiáng)度≥5MPa、干縮值<0.4mm/m、吸水率≤15%:

● 厚度240mm、傳熱系數(shù)≤0.55W/㎡·K時(shí),材料成本約:130元/m&sup3;

● 厚度270mm、傳熱系數(shù)≤0.40W/㎡·K時(shí),材料成本約:170元/m&sup3;

(2)、承重型:容重1000㎏/m&sup3;、抗壓強(qiáng)度≥10MPa、干縮值≤0.4、吸水率≤15%:

● 厚度260mm、傳熱系數(shù)≤0.45W/㎡·K時(shí),材料成本約:190元/m&sup3;

● 厚度290mm、傳熱系數(shù)≤0.25W/㎡·K時(shí),材料成本約:260元/m&sup3;

(3)、內(nèi)墻砌塊:規(guī)格(mm):長(zhǎng)×高×厚=(390~600)×(190~300)×(150~190)、容重650㎏/m&sup3;~750㎏/m&sup3;、干縮值≤0.4mm/m、抗壓強(qiáng)度≥3.5MPa、傳熱系數(shù)≤1.0W/㎡·K、時(shí),材料成本約:100元/m&sup3;

2、極大的減少墻面裂紋裂縫的產(chǎn)生,顯著提高工程質(zhì)量

連接主體砌塊的內(nèi)、外壁和外保護(hù)層的“L型T型點(diǎn)狀連接肋”和“貫穿保溫層的點(diǎn)狀柱銷”的總面積僅約為0.009平方米,與在砌塊空腔中加保溫材料的自保溫砌塊比,約減少70%的冷橋面積。這為選用建筑垃圾、細(xì)石、尾礦等高強(qiáng)度粗細(xì)集料提供了必須的前提條件。如以細(xì)石砼、建筑垃圾為材質(zhì)時(shí),砌塊與框架梁、柱、剪力墻、抹面砂漿、砌筑砂漿的線膨脹系數(shù)、干縮值、吸水率、含水率、強(qiáng)度等指標(biāo)很接近,相互間協(xié)同性好;高強(qiáng)度的細(xì)石砼,又為抹面砂漿、砌筑砂漿提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),顯著提高抹面砂漿、砌筑砂漿與砌塊間的粘接強(qiáng)度。從而有效的解決了因溫度應(yīng)力、干濕應(yīng)力等原因產(chǎn)生的墻面裂紋裂縫。并解決同類產(chǎn)品存在的“因外保護(hù)層和抹面砂漿層蠕動(dòng)而產(chǎn)生的墻面裂紋裂縫”。

3、采用嵌入式砌筑方式,顯著增加砌體強(qiáng)度

在主體砌塊的內(nèi)外壁與L型T型點(diǎn)狀連接肋組成的空間中,填充的是低密度EPS板,砌筑砂漿在砌塊重量與砌塊間擠壓力的作用下,自然地壓入EPS板, 嵌固在砌塊的內(nèi)外壁與條狀連接肋之間,形成嵌入式砌筑,有效地增強(qiáng)砌體的抗剪強(qiáng)度和抗震性能。

4、顯著特點(diǎn)

(1)豐富的可調(diào)整參數(shù)

  1. 通過主體砌塊的混凝土品種、標(biāo)號(hào)的選擇(如不同強(qiáng)度等級(jí)的細(xì)石混凝土、以建筑垃圾為粗細(xì)集料的利廢混凝土或爐渣、陶粒等輕質(zhì)保溫混凝土),砌塊的抗壓強(qiáng)度可在5.0MPa—7.5MPa之間設(shè)置,干燥收縮值在0.02(%)—0.06(%)之間設(shè)置;可調(diào)整砌塊的抗凍融、含水率等指標(biāo),并對(duì)調(diào)整砌塊的保溫性能有一定作用。
  2. 通過主體砌塊的壁厚、點(diǎn)狀肋的截面積、肋厚、保護(hù)層的厚度,可調(diào)整砌塊的抗壓、抗折等強(qiáng)度指標(biāo);
  3. 通過柱銷的直徑大小,可調(diào)整保護(hù)層的吊掛力、劈裂強(qiáng)度,以滿足粘貼釉面磚、干掛石材、涂料等不同外裝飾方式的要求。
  4. 通過外保溫層、保溫芯料的密度、品種、厚度的調(diào)整,240mm厚的新型復(fù)合自保溫砌塊的傳熱系數(shù)在0.55 W/㎡·K——0.40 W/㎡·K之間設(shè)置;290mm厚的新型復(fù)合自保溫砌塊的傳熱系數(shù)可在0.35 W/㎡·K——0.15 W/㎡·K之間設(shè)置。

在不改變生產(chǎn)工藝、設(shè)備、模具的前提下,實(shí)現(xiàn)大幅度調(diào)整保溫性能、強(qiáng)度等指標(biāo),對(duì)生產(chǎn)企業(yè)擴(kuò)大市場(chǎng)有著重大意義:滿足各類建筑對(duì)節(jié)能指標(biāo),強(qiáng)度指標(biāo)的要求,擴(kuò)大銷售市場(chǎng)。如節(jié)能65%指標(biāo),是指包括門窗、梁柱等在內(nèi)的建筑外墻的平均傳熱系數(shù),并非僅指墻體。對(duì)梁柱的保溫大都僅是以高于室內(nèi)露點(diǎn)溫度為依據(jù);當(dāng)建筑的窗墻比大、異性系數(shù)大時(shí),要以提高墻體的保溫性能來平衡。在同一地區(qū)的不同建筑,同一建筑不同朝向的墻面,其墻體的保溫性能要求亦有差異。如在節(jié)能65%時(shí),六層以上建筑要求外墻體的傳熱系數(shù)≤0.6 W/㎡·K,六層以下建筑則要求外墻體的傳熱系數(shù)≤0.45 W/㎡·K。

(2)獨(dú)特的架構(gòu)形式:結(jié)構(gòu)、材料間的各自獨(dú)立,互為作用,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),充分發(fā)揮各種材料的特性,具有優(yōu)異的綜合性能。

A、內(nèi)外壁、保護(hù)層:材質(zhì)是以建筑垃圾、細(xì)石為骨料的混凝土,賦予砌塊:高強(qiáng)、低干縮值、低吸水率、低含水率和優(yōu)良的抗凍性能、良好的二次施工性能,為裝飾施工和衛(wèi)生潔具的吊掛提供堅(jiān)實(shí)的墻面。增加砌體的熱惰性指標(biāo),改善室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量,提高居住人體的舒適性。

B、連接柱銷、L型T型點(diǎn)狀連接肋:以混凝土為材質(zhì),輔以鋼絲加強(qiáng)。其強(qiáng)度足以保證在承擔(dān)保護(hù)層、飾面層自重及正負(fù)風(fēng)壓的長(zhǎng)期共同作用下的堅(jiān)固穩(wěn)定,徹底解決同類產(chǎn)品因由保溫層承擔(dān)外力而蠕動(dòng)變形,導(dǎo)致保護(hù)層、外飾面層高密度大面積開裂、脫離及使用壽命的局限,真正實(shí)現(xiàn)自保溫砌塊的整體與建筑同壽。連接肋在滿足內(nèi)外壁的連接強(qiáng)度,墻體在抗壓、抗沖擊、吊掛力等作用時(shí)的應(yīng)力傳遞,搬運(yùn)、砌筑所需強(qiáng)度的前提下,盡可能減小截面積,在確保安全可靠的同時(shí)顯著地降低冷橋效應(yīng),對(duì)保溫節(jié)能有著重要作用。

C、外保溫層、填充保溫層:EPS等保溫材料是填充在混凝土支架的空腔中,自身不承擔(dān)任何作用力。其容重不受二次保溫方式要求≥18㎏/m&sup3;、鋼絲網(wǎng)架板要求≥15㎏/m&sup3;的限制。當(dāng)有特殊防火要求時(shí),可選用礦棉板等。

D、管線盒及衛(wèi)生潔具、空調(diào)等的吊掛簡(jiǎn)便可靠:主體砌塊是由內(nèi)外壁和連接于其間的L型T型連接肋組成,根據(jù)設(shè)計(jì)相應(yīng)掏去L型T型點(diǎn)狀連接肋之間的泡沫,即可在墻體中多方向布置管線;在相對(duì)堅(jiān)實(shí)的墻面開孔后,取出周圍少量泡沫后填入膠泥,即可在膠泥中埋設(shè)開關(guān)盒或衛(wèi)生潔具、空調(diào)等的吊掛件,牢固可靠。

5、防火

(1)、滿足公安部“公消[2011]65號(hào)”要求——其防火性能已獲住建部官方確證。自保溫砌塊的混凝土框架構(gòu)造本身是A級(jí)防火的整體結(jié)構(gòu),B1級(jí)EPS等保溫材料是填充于構(gòu)造體系的空腔中,屬自保溫體系。

保溫材料是填充在混凝土支架的空腔中,在砌筑時(shí),其只與砌筑砂漿接觸,無火災(zāi)隱患;成墻后,EPS等保溫材料是被密閉在>25—30mm厚的混凝土保護(hù)層內(nèi),沒有燃燒的環(huán)境,亦無點(diǎn)燃的途徑。

(2)、當(dāng)有特殊防火要求時(shí),保溫材料可選用礦棉板、玻璃棉板等無機(jī)保溫材料。

 

氣凝膠保溫材料

氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài),世界上密度最小的固體。密度為3千克每立方米。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠,其最早由美國(guó)科學(xué)工作者Kistler在1931年因與其友打賭制得。氣凝膠的種類很多,有硅系,碳系,硫系,金屬氧化物系,金屬系等等。aerogel是個(gè)組合詞,此處aero是形容詞,表示飛行的,gel顯然是凝膠。字面意思是可以飛行的凝膠。任何物質(zhì)的gel只要可以經(jīng)干燥后除去內(nèi)部溶劑后,又可基本保持其形狀不變,且產(chǎn)物高孔隙率、低密度,則皆可以稱之為氣凝膠。

因?yàn)槊芏葮O低,最輕的氣凝膠僅有0.16毫克每立方厘米,比空氣密度略低,所以也被叫做“凍結(jié)的煙”或“藍(lán)煙”。由于里面的顆粒非常?。{米量級(jí)),所以可見光經(jīng)過它時(shí)散射較?。ㄈ鹄⑸洌?,就像陽光經(jīng)過空氣一樣。因此,它也和天空一樣看著發(fā)藍(lán)(如果里面沒有摻雜其它東西),如果對(duì)著光看有點(diǎn)發(fā)紅。(天空是藍(lán)色的,而傍晚的天空是紅色的)。由于氣凝膠中一般80%以上是空氣,所以有非常好的隔熱效果,一寸厚的氣凝膠相當(dāng)20至30塊普通玻璃的隔熱功能。即使把氣凝膠放在玫瑰與火焰之間,玫瑰也會(huì)絲毫無損。氣凝膠在航天探測(cè)上也有多種用途,在俄羅斯“和平”號(hào)空間站和美國(guó)“火星探路者”的探測(cè)器上都有用到這種材料。氣凝膠也在粒子物理實(shí)驗(yàn)中,使用來作為切連科夫效應(yīng)的探測(cè)器。位在高能加速器研究機(jī)構(gòu)B介子工廠的Belle 實(shí)驗(yàn)探測(cè)器中一個(gè)稱為氣凝膠切連科夫計(jì)數(shù)器(Aerogel Cherenkov Counter, ACC) 的粒子鑒別器,就是一個(gè)最新的應(yīng)用實(shí)例。這個(gè)探測(cè)器利用的氣凝膠的介于液體與氣體之低折射系數(shù)特性,還有其高透光度與固態(tài)的性質(zhì),優(yōu)于傳統(tǒng)使用低溫液體或是高壓空氣的作法。同時(shí),其輕量的性質(zhì)也是優(yōu)點(diǎn)之一。

 

氣凝膠,作為世界最輕的固體,已入選吉尼斯世界紀(jì)錄。這種新材料密度僅為3.55千克每立方米,僅為空氣密度的2.75倍;干燥的松木密度(500千克每立方米)是它的140倍。這種物質(zhì)看上去像凝固的煙,但它的成分與玻璃相似。由于它的密度極小,用于航空航天方面非常合適。美宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室,該實(shí)驗(yàn)室瓊斯博士研制出的新型氣凝膠,主要由純二氧化硅等組成。在制作過程中,液態(tài)硅化合物首先與能快速蒸發(fā)的液體溶劑混合,形成凝膠,然后將凝膠放在一種類似加壓蒸煮器的儀器中干燥,并經(jīng)過加熱和降壓,形成多孔海綿狀結(jié)構(gòu)。瓊斯博士最終獲得的氣凝膠中空氣比例占到了99.8%。

氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量,有時(shí)也被稱為“固態(tài)煙”或“凍住的煙”。這種新材料看似脆弱不堪,其實(shí)非常堅(jiān)固耐用,最高能承受1400攝氏度的高溫。氣凝膠的這些特性在航天探測(cè)上有多種用途。俄羅斯“和平”號(hào)空間站和美國(guó)“火星探路者”探測(cè)器上,都用到了氣凝膠材料。

美國(guó)國(guó)家宇航局研制出的一種新型氣凝膠,由于密度只有每立方厘米3毫克,日前已經(jīng)作為“世界上密度最低的固體”正式入選《吉尼斯世界紀(jì)錄》。

這種氣凝膠呈半透明淡藍(lán)色,重量極輕,因此人們也把它稱為“固態(tài)煙”。新型氣凝膠是由美國(guó)國(guó)家宇航局下屬的“噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”材料科學(xué)家史蒂芬·瓊斯博士研制的。它的主要成分和玻璃一樣也是二氧化硅,但因?yàn)樗?9.8%都是空氣,所以密度只有玻璃的千分之一。

氣凝膠貌似“弱不禁風(fēng)”,其實(shí)非常堅(jiān)固耐用。它可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力,在溫度達(dá)到1200攝氏度時(shí)才會(huì)熔化。此外它的導(dǎo)熱性和折射率也很低,絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強(qiáng)39倍。由于具備這些特性,氣凝膠便成為航天探測(cè)中不可替代的材料,俄羅斯“和平”號(hào)空間站和美國(guó)“火星探路者”探測(cè)器都用它來進(jìn)行熱絕緣。

氣凝膠在航天中的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這些,美國(guó)國(guó)家宇航局的“星塵”號(hào)飛船正帶著它在太空中執(zhí)行一項(xiàng)十分重要的使命———收集彗星微粒。科學(xué)家認(rèn)為,彗星微粒中包含著太陽系中最原始、最古老的物質(zhì),研究它可以幫助人類更清楚地了解太陽和行星的歷史。2006年,“星塵”號(hào)飛船將帶著人類獲得的第一批彗星星塵樣品返回地球。

但收集彗星星塵并不是件容易的事,它的速度相當(dāng)于步槍子彈的6倍,盡管體積比沙粒還要小,可是當(dāng)它以如此高速接觸其它物質(zhì)時(shí),自身的物理和化學(xué)組成都有可能發(fā)生改變,甚至完全被蒸發(fā)。如今科學(xué)家有了氣凝膠,這個(gè)問題就變得很簡(jiǎn)單了。它就像一個(gè)極其柔軟的棒球手套,可以輕輕地消減彗星星塵的速度,使它在滑行一段相當(dāng)于自身長(zhǎng)度200倍的距離后慢慢停下來。在進(jìn)入“氣凝膠手套”后,星塵會(huì)留下一段胡蘿卜狀的軌跡,由于氣凝膠幾乎是透明的,科學(xué)家可以按照軌跡輕松地找到這些微粒。

 

氣凝膠制備方法

氣凝膠最初是由S.Kistler命名,由于他采用超臨界干燥方法成功制備了二氧化硅氣凝膠,故將氣凝膠定義為:濕凝膠經(jīng)超臨界干燥所得到的材料,稱之為氣凝膠。在90年代中后期,隨著常壓干燥技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,90年代中后期普遍接受的氣凝膠的定義是:不論采用何種干燥方法,只要是將濕凝膠中的液體被氣體所取代,同時(shí)凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本保留不變,這樣所得的材料都稱為氣凝膠。氣凝膠的結(jié)構(gòu)特征是擁有高通透性的圓筒形多分枝納米多孔三位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),擁有極高孔洞率、極低的密度、高比表面積、超高孔體積率,其體密度在0.003-0.500 g/cm-3范圍內(nèi)可調(diào)。(空氣的密度為0.00129 g/cm-3)。

氣凝膠的制備通常由溶膠凝膠過程和超臨界干燥處理構(gòu)成。在溶膠凝膠過程中,通過控制溶液的水解和縮聚反應(yīng)條件,在溶體內(nèi)形成不同結(jié)構(gòu)的納米團(tuán)簇,團(tuán)簇之間的相互粘連形成凝膠體,而在凝膠體的固態(tài)骨架周圍則充滿化學(xué)反應(yīng)后剩余的液態(tài)試劑。為了防止凝膠干燥過程中微孔洞內(nèi)的表面張力導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的破壞,采用超臨界干燥工藝處理,把凝膠置于壓力容器中加溫升壓,使凝膠內(nèi)的液體發(fā)生相變成超臨界態(tài)的流體,氣液界面消失,表面張力不復(fù)存在,此時(shí)將這種超臨界流體從壓力容器中釋放,即可得到多孔、無序、具有納米量級(jí)連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低密度氣凝膠材料。

氣凝膠作用

研究領(lǐng)域

在分形結(jié)構(gòu)研究方面。硅氣凝膠作為一種結(jié)構(gòu)可控的納米多孔材料,其表現(xiàn)密度明顯依賴于標(biāo)度尺寸,在一定尺度范圍內(nèi),其密度往往具有標(biāo)度不變性,即密度隨尺度的增加而下降,而且具有自相似結(jié)構(gòu),在氣凝膠分形結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究方面的結(jié)構(gòu)還表明,在不同尺度范圍內(nèi),有三個(gè)色散關(guān)系明顯不同的激發(fā)區(qū)域,分別對(duì)應(yīng)于聲子、分形子和粒子模的激發(fā)。改變氣凝膠的制備條件,可使其關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度在兩個(gè)量級(jí)的范圍內(nèi)變化。因此硅氣凝膠已成為研究分形結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)行為的最佳材料。

1、在“863”高技術(shù)強(qiáng)激光研究方面

納米多孔材料具有重要應(yīng)用價(jià)值,如利用低于臨界密度的多孔靶材料,可望提高電子碰撞激發(fā)產(chǎn)生的X光激光的光束質(zhì)量,節(jié)約驅(qū)動(dòng)能,利用微球形節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的新型多孔靶,能夠?qū)崿F(xiàn)等離于體三維絕熱膨脹的快速冷卻,提高電子復(fù)合機(jī)制 產(chǎn)生的x光激光的增益系數(shù),利用超低密度材料吸附核燃料,可構(gòu)成激光慣性約束聚變的高增益冷凍靶。氣凝膠纖細(xì)的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、結(jié)構(gòu)介觀尺度上可控,成為研制新型低密度靶的最佳候選材料。

2、在作為隔熱材料方面

硅氣凝膠纖細(xì)的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效地限制了局域熱激發(fā)的傳播,其固態(tài)熱導(dǎo)率比相應(yīng)的玻璃態(tài)材料低2—3個(gè)數(shù)量級(jí)。納米微孔洞抑制了氣體分子對(duì)熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)。硅氣凝膠的折射率接近l,而且對(duì)紅外和可見光的湮滅系數(shù)之比達(dá)100以上,能有效地透過太陽光,并阻止環(huán)境溫度的紅外熱輻射,成為一種理想的透明隔熱材料,在太陽能利用和建筑物節(jié)能方面已經(jīng)得到應(yīng)用。通過摻雜的手段,可進(jìn)一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導(dǎo),常溫常壓下?lián)?span id="gbo7bb2" class="wpcom_keyword_link">碳?xì)饽z的熱導(dǎo)率可低達(dá)0.013w/m·K,是熱導(dǎo)率最低的固態(tài)材料,可望替代聚氨脂泡沫成為新型冰箱隔熱材料。摻入二氧化鈦可使硅氣凝膠成為新型高溫隔熱材料,800K時(shí)的熱導(dǎo)率僅為0.03w/m·K,作為軍品配套新材料將得到進(jìn)一步發(fā)展。

由于硅氣凝膠的低聲速特性,它還是一種理想的聲學(xué)延遲或高溫隔音材料。該材料的聲阻抗可變范圍較大(103—107 kg/m2·s),是一種較理想的超聲探測(cè)器的聲阻耦合材料,如常用聲阻匝Zp=1.5×l07 kg/m2·s的壓電陶瓷作為超聲波的發(fā)生器和探測(cè)器,而空氣的聲阻只有400 kg/m2·s。用厚度為l/4波長(zhǎng)的硅氣凝膠作為壓電陶瓷與空氣的聲阻耦合材料.可提高聲波的傳輸效率,降低器件應(yīng)用中的信噪比。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,密度在300 kg/m3左右的硅氣凝膠作為耦合材料,能使聲強(qiáng)提高30 dB,如果采用具有密度梯度的硅氣凝膠,可望得到更高的聲強(qiáng)增益。

在環(huán)境保護(hù)及化學(xué)工業(yè)方面。納米結(jié)構(gòu)的氣凝膠還可作為新型氣體過濾 ,與其它材料不同的是該材料孔洞大小分布均勻,氣孔率高,是一種高效氣體過濾材料。由于該材料特別大的比表而積.氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方而亦有廣闊的應(yīng)用前景。

3、在儲(chǔ)能器件方面

有機(jī)氣凝膠經(jīng)過燒結(jié)工藝處理后將得到碳?xì)饽z 這種導(dǎo)電的多孔材料是繼纖維狀活性碳以后發(fā)展起來的一種新型碳素材料,它具有很大的比表面積(600—1000 m2/g)和高電導(dǎo)率(10—25 s/cm).而且,密度變化范圍廣(0.05—1.0 g/cm3).如在其微孔洞內(nèi)充入適當(dāng)?shù)碾娊庖?,可以制成新型可充電電池,它具有?chǔ)電容量大、內(nèi)阻小、重量輕、充放電能力強(qiáng)、可多次重復(fù)使用等優(yōu)異特性,初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:碳?xì)饽z的充電容量達(dá)3×104/kg2,功率密度為7 kw/kg,反復(fù)充放電性能良好。

在材料的量子尺寸效應(yīng)研究方面。由于硅氣凝膠的納米網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成量子點(diǎn)結(jié)構(gòu),化學(xué)氣相滲透法摻Si及溶液法摻C60的結(jié)果表明,摻雜劑是以納米晶粒的形式存在,并觀察到很強(qiáng)的可見光發(fā)射,為多孔硅的量子限制效應(yīng)發(fā)光提供了有力證據(jù)。利用硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)以及C60的非線性光學(xué)效應(yīng),可進(jìn)一步研制新型激光防護(hù)鏡。通過摻雜的方法還是形成納米復(fù)合相材料的有效手段。

此外,硅氣凝膠是折射率可調(diào)的材料,使用不同密度的氣凝膠介質(zhì)作為切倫柯夫閥值探測(cè)器,可確定高能粒子的質(zhì)量和能量。因高速粒子很容易穿入多孔材料并逐步減速,實(shí)現(xiàn)“軟著陸”,如選用透明氣凝膠在空間捕獲高速粒子,可用肉眼或顯微鏡觀察被阻擋、捕獲的粒子。

作為一種新型納米多孔材料,除硅氣凝膠外,已研制的還有其它單元、二元或多元氧化物氣凝膠、有機(jī)氣凝膠及碳?xì)饽z。作為一種獨(dú)特的材料制備手段,相關(guān)的工藝在其它新材料研制中得到廣泛應(yīng)用,如制備氣孔率極高的多孔硅、制備高性能催化劑的金屬—?dú)饽z混合材料、高溫超導(dǎo)材料、超細(xì)陶瓷粉末等。

研究單位

2013年國(guó)際上關(guān)于氣凝膠材料的研究工作主要集中在德國(guó)的維爾茨堡大學(xué)、BASF公司、美國(guó)的勞倫茲·利物莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,法國(guó)的蒙彼利埃材料研究中心,日本高能物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等。國(guó)內(nèi)主要集中在同濟(jì)大學(xué)波爾固體物理實(shí)驗(yàn)室、國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、納諾科技有限公司及廣東埃力生高新科技有限公司。

其他用途

1、制作火星探險(xiǎn)宇航服

2002年,美國(guó)宇航局成立了一家公司,專門生產(chǎn)更結(jié)實(shí)更有韌性的氣凝膠。美國(guó)宇航局2013年已經(jīng)確定,在2018年火星探險(xiǎn)時(shí),宇航員們將穿上用新型氣凝膠制造的宇航服。該公司的資深科學(xué)家馬克·克拉杰沃斯基說,只要在宇航服中加入一個(gè)18毫米厚的氣凝膠層,那么它就能幫助宇航員扛住1300℃的高溫和零下130℃的超低溫?!斑@是我見過的最有效的恒溫材料。”馬克如是說。

2、防彈不怕被炸

防彈是新型氣凝膠的第二個(gè)重要用途。美國(guó)宇航局的這家公司正在對(duì)用氣凝膠建造的住所和軍車進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)室的試驗(yàn)情況來看,如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠,那么,就算炸藥直接炸中,對(duì)金屬片也分毫無傷。

3、可處理生態(tài)災(zāi)難

環(huán)保是新型氣凝膠的第三個(gè)重要作用??茖W(xué)家們將氣凝膠親切地稱為“超級(jí)海綿”,因?yàn)槠浔砻嬗谐砂偕锨f的小孔,所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。美國(guó)科學(xué)家新發(fā)明的氣凝膠居然能吸出水中的鉛和水銀。據(jù)這位科學(xué)家稱,這種氣凝膠是處理生態(tài)災(zāi)難的絕好材料,比如說1996年“海上快車”油輪沉沒后,72000噸原油外泄,如果當(dāng)時(shí)用上這種材料的話,那么就不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)海岸受到嚴(yán)重的污染。

4、網(wǎng)球拍擊球能力更強(qiáng)

新型氣凝膠也將步入我們每個(gè)人的未來日常生活。比如說美國(guó)的Dunlop體育器材公司已經(jīng)成功研發(fā)了含有氣凝膠的網(wǎng)球拍。這種網(wǎng)球拍據(jù)說擊球的能力更強(qiáng);2012年年初,66歲的鮑博·斯托克成為第一個(gè)將氣凝膠用于住房的英國(guó)人:“保溫加熱的效果非常好,我將空調(diào)的溫度下降了5℃,結(jié)果室內(nèi)的溫度仍然非常舒適?!钡巧秸咭矊?duì)氣凝膠的運(yùn)用充滿了希望。英國(guó)登山家安尼·帕爾門特2011年登珠峰時(shí)所穿的鞋子就是使用了部分氣凝膠材料,他的睡袋里也有一層這種新材料。

性能優(yōu)越,高彈性、強(qiáng)吸附,應(yīng)用前景廣闊

據(jù)專家介紹,“碳海綿”具備高彈性,被壓縮80%后仍可恢復(fù)原狀。它對(duì)有機(jī)溶劑具有超快、超高的吸附力,是迄今已報(bào)道的吸油力最高的材料?,F(xiàn)有的吸油產(chǎn)品一般只能吸自身質(zhì)量10倍左右的液體,而“碳海綿”的吸收量是250倍左右,最高可達(dá)900倍,而且只吸油不吸水?!按笪竿酢背杂袡C(jī)物的速度極快:每克這樣的“碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機(jī)物。 20世紀(jì),實(shí)驗(yàn)室正在對(duì)這一材料的吸附性能進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用性研究??蒲腥藛T聲稱,“碳海綿”還可能成為理想的相變儲(chǔ)能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效復(fù)合材料。不過很難準(zhǔn)確預(yù)計(jì)其應(yīng)用領(lǐng)域與前景,還得依靠社會(huì)以及產(chǎn)業(yè)界的想象力,讓這個(gè)新材料走出實(shí)驗(yàn)室,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值。

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