气凝胶

气凝胶（Aerogel）是一种衍生自凝胶的合成多孔超轻材料，其中凝胶的液体组分已被气体取代。 结果是具有极低密度和低导热率的固体。 绰号包括冷冻烟雾，固体烟雾，固体空气，固体云，蓝色烟雾，因为它的半透明性质和光散射在材料中的方式。 感觉就像易碎的发泡聚苯乙烯。 气凝胶可由多种化合物制成。

气凝胶最初是由Samuel Stephens Kistler于1931年创建的，因为他与Charles Learned打赌谁可以用气体替换“果冻”中的液体而不会导致收缩。

通过超临界干燥提取凝胶的液体组分来制备气凝胶。 这使得液体可以缓慢地干燥，而不会使凝胶中的固体基质从毛细管作用中崩溃，如常规蒸发所发生的那样。 第一批气凝胶由硅胶制成。 奇石乐后来的工作涉及基于氧化铝，氧化铬和二氧化锡的气凝胶。 碳气凝胶最初是在20世纪80年代后期开发的。

气凝胶不是具有固定化学式的单一材料，而是该术语用于将具有特定几何结构的所有材料分组。

IUPAC定义
气凝胶：由微孔固体组成的凝胶，其中分散相是气体。

注1：微孔二氧化硅，微孔玻璃和沸石是气凝胶的常见例子。

注2：从参考文献修正，其中定义是凝胶的错误定义的重复，然后是对结构孔隙度的不明确的参考。

属性
尽管有这个名字，但气凝胶是坚固的，刚性的和干燥的材料，它们的物理性质不像凝胶：名称来自于它们是由凝胶制成的。 轻轻按压气凝胶通常不会留下轻微痕迹; 更坚定的按压会留下永久的抑郁症。极其坚固地按压将导致稀疏结构的灾难性破坏，导致它像玻璃一样破碎（称为易碎性），尽管更现代的变化不会受此影响。 尽管它很容易破碎，但它在结构上非常坚固。 其令人印象深刻的承载能力是由于树枝状微观结构，其中平均尺寸（2-5nm）的球形颗粒熔合在一起成簇。 这些簇形成几乎分形链的三维高度多孔结构，孔隙小于100nm。 在制造过程中可以控制孔的平均尺寸和密度。

气凝胶是99.8％空气的材料。 气凝胶具有多孔固体网络，其中包含气穴，气穴占据了材料中的大部分空间。 缺乏固体材料使气凝胶几乎失重。
气凝胶是良好的热绝缘体，因为它们几乎使三种传热方法中的两种无效 – 传导（它们主要由绝缘气体组成）和对流（微观结构防止净气体运动）。 它们是良好的导电绝缘体，因为它们几乎完全由气体组成，这些气体是非常差的导热体。 （二氧化硅气凝胶是一种特别好的绝缘体，因为二氧化硅也是一种不良的热导体;另一方面，金属或碳气凝胶效果较差。）它们是良好的对流抑制剂，因为空气不能通过晶格循环。 气凝胶是不良的辐射绝缘体，因为红外辐射（传递热量）通过它们。

由于其吸湿性，气凝胶感觉干燥并且充当强烈的干燥剂。 长时间处理气凝胶的人应戴上手套，以防止皮肤上出现干燥的脆性斑点。

它所具有的轻微颜色是由于纳米级树枝状结构对较短波长的可见光的瑞利散射造成的。 这使得它在深色背景下呈现烟蓝色，在明亮背景下呈黄色。
气凝胶本身是亲水的，但化学处理可使它们具有疏水性。 如果它们吸收水分，它们通常会发生结构变化，例如收缩，并且变质，但是通过使它们疏水可以防止降解。 具有疏水内部的气凝胶比仅具有外部疏水层的气凝胶更不易降解，即使裂缝穿透表面也是如此。

克努森效应
气凝胶的导热率可能小于它们所含气体的导热率。 这是由Knudsen效应引起的，当包围气体的腔的尺寸变得与平均自由程相当时，气体中的导热性降低。 有效地，空腔限制了气体颗粒的运动，除了消除对流之外还降低了导热率。 例如，STP和大容器中空气的导热率约为25 mW / m•K，但直径为30纳米的孔隙中导热率降低至约5 mW / m•K。

结构体
气凝胶结构由溶胶 – 凝胶聚合产生，其是单体（简单分子）与其他单体反应形成溶胶或由键合的交联大分子组成的物质，在它们之间存在液体溶液沉积物。 当材料被严格加热时，液体被蒸发掉，粘合的交联的高分子框架被留下。 聚合和临界加热的结果是产生具有分类为气凝胶的多孔强结构的材料。 合成的变化可以改变气凝胶的表面积和孔径。 孔径越小，气凝胶越容易破裂。

防水
气凝胶含有直径为2-5nm的颗粒。 在制备气凝胶的过程之后，它将在表面上含有大量的羟基。 当气凝胶置于水中时，羟基可引起强烈反应，导致其在水中灾难性地溶解。 使亲水性气凝胶防水的一种方法是将气凝胶浸泡在一些化学碱中，该化学碱将用非极性基团（-OR）代替表面羟基（-OH），这是当R是脂族基团时最有效的方法。

气凝胶的孔隙度
有几种方法可以确定气凝胶的孔隙率：三种主要方法是气体吸附，水银孔隙率测定法和散射法。 在气体吸附中，沸点的氮被吸附到气凝胶样品中。 被吸附的气体取决于样品内孔的大小和气体相对于其饱和压力的分压。 通过使用Brunauer，Emmit和Teller公式（BET）测量吸附的气体体积，其给出样品的比表面积。 在吸附/解吸的高分压下，开尔文方程给出样品的孔径分布。 在水银孔隙率测定法中，汞被迫进入气凝胶多孔系统以确定孔的尺寸，但这种方法的效率非常低，因为气凝胶的固体框架会从高压缩力中坍塌。 散射方法涉及气凝胶样品内辐射的角度依赖性偏转。 样品可以是固体颗粒或孔。 辐射进入材料并确定气凝胶孔网络的分形几何形状。 使用的最佳辐射波长是X射线和中子。 气凝胶也是一种开放的多孔网络：开放式多孔网络和封闭多孔网络之间的区别在于，在开放式网络中，气体可以无限制地进入和离开物质，而封闭的多孔网络将气体捕获在材料强制中他们留在毛孔里。 二氧化硅气凝胶的高孔隙率和表面积使其可用于各种环境过滤应用。

物料

二氧化硅
二氧化硅气凝胶是最常见的气凝胶类型，也是最广泛研究和使用的。 它是二氧化硅基的，可以来自硅胶或改良的Stober工艺。 最低密度的二氧化硅纳米泡沫重量为1,000克/立方米，这是1900克/立方米的记录气凝胶的真空版本。 空气密度为1200g / m3（在20℃和1atm下）。 截至2013年，aerographene的密度较低，为160 g / m3，或室温下空气密度的13％。

二氧化硅凝固成三维交织的团簇，仅占体积的3％。 因此，通过固体的传导非常低。 其余97％的体积由极小纳米孔中的空气组成。 空气几乎没有移动的空间，抑制了对流和气相传导。

二氧化硅气凝胶还具有~99％的高光学透射率和~1.05的低折射率。

它具有卓越的隔热性能，具有极低的导热性：在大气压下从0.03 W /（m•K）到适度真空中的0.004 W /（m•K），相当于R值为14到105 （美国惯用）或3.0至22.2（公制），厚度为3.5英寸（89毫米）。相比之下，相同厚度的典型墙体保温层为13（美国惯用）或2.7（公制）。 其熔点为1,473 K（1,200°C; 2,192°F）。

直到2011年，二氧化硅气凝胶在吉尼斯世界纪录中获得了15项材料特性，包括最佳绝缘体和最低密度固体，尽管它在2012年被更轻的材料航空公司和2013年的航空印刷品从后者的标题中淘汰出局。

碳
碳气凝胶由尺寸在纳米范围内的颗粒组成，共价键合在一起。 它们具有非常高的孔隙率（超过50％，孔径小于100nm）并且表面积在400-1,000m 2 / g之间。 它们通常被制成复合纸：由碳纤维制成的无纺纸，浸渍有间苯二酚 – 甲醛气凝胶，并且热解。 取决于密度，碳气凝胶可以是导电的，使得复合气凝胶纸可用于电容器或去离子电极中的电极。 由于其极高的表面积，碳气凝胶用于制造超级电容器，基于104 F / g和77 F / cm3的电容密度，其值可高达数千法拉。 碳气凝胶在红外光谱中也非常“黑”，在250nm和14.3μm之间仅反射0.3％的辐射，使其对太阳能收集器有效。

用于描述通过某些化学气相沉积技术产生的通风质量的碳纳米管的术语“气凝胶”是不正确的。 这种材料可以纺成强度大于Kevlar的纤维，并具有独特的电性能。 然而，这些材料不是气凝胶，因为它们不具有整体内部结构并且不具有气凝胶的规则孔结构特征。

金属氧化物
金属氧化物气凝胶用作各种化学反应/转化中的催化剂或用作其他材料的前体。

用氧化铝制成的气凝胶称为氧化铝气凝胶。 这些气凝胶用作催化剂，特别是当用“铝”以外的金属“掺杂”时。 镍 – 氧化铝气凝胶是最常见的组合。 NASA也在考虑使用氧化铝气凝胶捕获超高速粒子; 掺杂钆和铽的配方可在颗粒撞击部位发荧光，荧光量取决于冲击能量。

二氧化硅气凝胶和金属氧化物气凝胶之间最显着的区别之一是金属氧化物气凝胶通常具有不同的颜色。

其他
有机聚合物可用于制造气凝胶。 SEAgel由琼脂制成。 来自植物的纤维素可用于产生柔性气凝胶。

Chalcogel是一种气凝胶，由硫属元素（元素周期表中的元素列以氧气开始）制成，如硫，硒和其他元素。 比铂更便宜的金属已被用于其创造中。

已经开发出在多孔3-D网络中由硒化镉量子点制成的气凝胶用于半导体工业。

通过添加掺杂剂，增强结构和杂化化合物，可以增加气凝胶性能以用于特定应用。 Aspen Aerogels生产Spaceloft等产品，这些产品是气凝胶与某种纤维棉絮的复合材料。

生物基替代品（生物气凝胶）
最着名的气凝胶是以二氧化硅为基础的，但研究人员正在寻找生产生物来源的气凝胶，可能比二氧化硅强。

百吉饼是一种类似于由琼脂制成的有机气凝胶的材料，其味道和质地让人想起米糕。

Maerogel包含其基本大米（主要用于大米行业），与其他工艺相比降低了成本。 这个过程可以将成本除以6。

aéropectine是由柑橘皮（2015）生产的，但吸湿性太强，不能制成绝缘体，

淀粉气凝胶（实际上是直链淀粉和支链淀粉的混合物），可以来自例如玉米或更好的豌豆。 它也非常吸湿，但也许可以用涂层覆盖，使其更稳定和疏水。 它比二氧化硅气凝胶强，但导热系数稍差，但仍然约为0.021 W m -1 K -1（0.025至约0.035，而岩棉和聚苯乙烯的空气W m -1 K -1）。

它们的热性能可以在制造过程中得到改善：将淀粉溶解在水中，在一定压力和温度下搅拌，然后机械搅拌使颗粒破碎并分散，然后冷却至4℃（“凝沉”阶段）并形成凝胶，然后再更换在超临界干燥阶段期间的溶剂（丙酮可以代替那里的乙醇）然后溶剂被解吸并被空气取代。 材料健身中心（Cemef）Mines Paris-Tech研究这种材料。

制造业
原则上，气凝胶的制造包括用气体代替硅胶（用于二氧化硅气凝胶）的液体组分。 从技术上讲，这个过程更加复杂。 实际上，当简单干燥时，凝胶的结构趋于崩塌。 它变得多孔并且破碎。

在实践中，水凝胶，特别是用于软性隐形眼镜的硅胶，在极端温度和压力条件下通过在“前体”二氧化硅醇盐的存在下用液体如乙醇代替水来干燥。 醇盐是一种反应催化剂。 它由酒精和硅胶组成。 其配方为Si（OR）4。该反应产生二氧化硅：
如果（OCH ₂ CH ₃ ） _{4（Liq。）} + 2H ₂ O _（Liq。） →SiO _{2（固体）} + 4HOCH ₂ CH _{3（Liq。）} 。

二氧化硅是一种稳定的式SiO 2矿物化合物。然后是一种称为超临界干燥的过程（英文：supercritical drying）。 在热力学中，临界点是液体和气体之间的过渡阶段。 基本上，液体和蒸汽状态在微观上是相同的：它们的特征在于原子或分子的无序。 此外，存在这种液 – 气共存曲线突然停止的压力和温度（称为临界值）。 除此之外，身体既不是液体也不是气体：它是一种流体相。 通过该方法，从凝胶中除去醇。 该操作在高压釜中进行，压力范围为50至60巴，温度为5至10℃，并且持续12小时至6天。然后达到目标，液体已经被气体取代而没有凝胶结构坍塌或体积减小。

有环境温度和压力下制作气凝胶的方法，但目前它们仍被工业家保密。

生产
气凝胶是通过在极端条件下干燥凝胶状材料（主要是二氧化硅）的凝胶而制成的。 1931年至32年，Samuel Stephens Kistler完成了硅酸盐气凝胶的首次合成。 他开发了一种方法，首先干燥没有它们的凝胶，它有收缩。

根据奇石乐的说法，硅酸盐气凝胶
奇石乐使用硅酸钠，将其与水混合制成溶液（水玻璃）。 加入沉淀剂后，作用盐酸随着时间二氧化硅（沉淀反应）下降，由布朗运动引起的分布在溶液中不协调，从而也发生碰撞。

要么：

由于逐渐粘附，这些颗粒随时间聚集并且在约一天内，产生具有网状结构的凝胶。 由此，用水（Aquagel）冲洗氯化钠和过量的盐酸，然后用醇（烷醇凝胶）置换。 该步骤是必要的，否则随着过程的进行，水会破坏凝胶结构。 如果醇慢慢蒸发，则由于作用在凝胶上的表面力而形成半月板，其在凝胶中“埋藏”自身并在凝胶中产生组合结构。 这与凝胶的收缩有关，因此，孔隙率仅为约50％的多孔结构，但这只是为了避免。 因此，奇石乐过去常常在高压釜中干燥，并在高于醇的临界点升高温度和压力，从而形成超临界流体。 该过程称为超临界干燥。 因此取消了气体和液体之间的相界; 在另一种情况下会导致半月板形成的表面力不再存在。 然后将超临界流体从高压釜中吹出，使产物干燥并最终变成气凝胶。 气凝胶保留了原始凝胶的尺寸和形状，由Kistler制造的硅酸盐气凝胶具有约30至300kg / m 3的密度，并且孔隙率在86至98％的范围内。 然而，根据Kistler的生产方法具有长且昂贵的缺点，其特别涉及在蒸发醇之前的溶剂交换。

根据Teichner的工艺 – 溶胶 – 凝胶工艺
斯坦尼斯拉斯·泰克纳（Stanislas Teichner）试图在20世纪60年代在里昂大学（University of Lyon）重现奇石乐的程序，尽管生产较小的气凝胶样品需要数周时间。 作为替代方案，他于1968年开发了目前用作标准方法的溶胶 – 凝胶工艺，并于1986年进一步改进。这里的原料是有毒的原硅酸四甲酯（TMOS），它可以缓慢水解为原硅酸和甲醇。加入催化剂后，在下面的反应方程中加入规定量的水。

结果，水从二氧化硅中分离出来，形成SiO 2四面体。 然后这些网络形成凝胶。 所得烷醇凝胶的干燥再次等于Kistler方法，其中甲醇的临界值为239.4℃和80.9巴。 由此形成的气凝胶的性质，特别是结构和密度，可以通过选择催化剂，pH或所用物质的比例，特别是甲醇来控制。 该程序今天在DESY和Lund使用。

其他程序
在另一个过程中，加州大学伯克利分校的Arlon Hunt研究小组生产气凝胶片而不是原硅酸四乙酯（TEOS）中的有毒TMOS。 另外，可燃乙醇被二氧化碳取代，这是非常耗时的。 一个优点是在31℃下二氧化碳的临界温度相对较低，这极大地促进了干燥过程。

在BASF的Ludwigshafen am Rhein中使用另一种方法，其中特别是生产直径为约1-6毫米，密度为约200kg / m 3的气凝胶颗粒（颗粒）。 通过用混合喷嘴将硫酸和硅酸钠喷射在活塞上来使硫酸和硅酸钠反应。 这导致形成碱金属盐，必须通过后处理洗掉。 该方法的优点在于相对较低的成本，其缺点在于更糟糕的，特别是颗粒的光学性质。

碳气凝胶（CRF）主要通过间苯二酚 – 甲醛气凝胶（RF）的热解产生。 在间苯二酚 – 甲醛气凝胶的制备中，可以使用更便宜的空气干燥代替超临界干燥。

应用
由于气凝胶的折射率在气体，液体或常规固体无法达到的范围内，因此它们作为Cherenkov探测器的所谓散热器材料起着重要作用。 碳气凝胶还因其在初级和燃料电池，车辆催化剂和超级电容器中的电极材料的材料研究中具有高导电性和稳定性。

存储介质
由于其高孔隙率，最初开发的气凝胶旨在保存气体和固体的储存可能性。 在20世纪60年代，气凝胶被测试其作为液体火箭燃料的存储介质的适用性。

过滤
由于其精细结构，气凝胶可用作最小灰尘颗粒的收集基质。 因此，它们被用在“彗星尘埃太空船”Stardust上。 被捕获的尘埃颗粒和分子在气凝胶中缓慢减速，因此它们不会被热破坏。 所以你成功了。 一个。 也是第一次没有将彗星（野生2）的物质带到地球。

隔热
特别是硅酸盐气凝胶具有非常低的导热率，因此通常用作特殊应用的绝缘材料（例如透明绝热材料）;自2013年初以来，瑞士已经销售了相应的添加了气凝胶颗粒的特殊石膏。

化妆品和头发护理
由二氧化硅甲硅烷基化物制成的精细疏水气凝胶颗粒尤其用作化妆品中的固定粉末和头发护理中的体积和定型粉末。

药学
药学二氧化硅气凝胶用作干燥和溶剂，以及载体。

气凝胶用于各种应用：

2004年，大约售出了2500万美元的气凝胶绝缘产品，到2013年已上涨至约5亿美元。这代表了今天这些材料最重大的经济影响。 在建筑和建筑领域以及工业绝缘中用气凝胶解决方案取代传统绝缘的潜力是非常重要的。

以颗粒形式为天窗增添隔热效果。 佐治亚理工学院2007年的太阳能十项全能项目使用气凝胶作为半透明屋顶的绝缘体。

用于清理溢出物的化学吸附剂。
催化剂或催化剂载体。
二氧化硅气凝胶可用于成像装置，光学器件和光导。
用于过滤的材料，由于其高表面积和多孔性，用于去除重金属。
某些油漆和化妆品中的增稠剂。
作为能量吸收器中的组件。
激光目标为美国国家点火设施。
用于传感器，扬声器和测距仪的阻抗匹配器中使用的材料。
气凝胶“毯子”的商业制造始于2000年左右，结合了二氧化硅气凝胶和纤维增强材料，将脆性气凝胶转变为耐用，柔韧的材料。 产品的机械和热性能可以根据复合材料中包含的增强纤维，气凝胶基质和不透明添加剂的选择而变化。
美国宇航局使用气凝胶捕获星尘号航天器上的太空尘埃粒子。 颗粒在与固体撞击时蒸发并通过气体，但可以被捕获在气凝胶中。 美国宇航局还使用气凝胶对火星探测器和太空服进行隔热。
美国海军正在评估气凝胶内衣作为潜水员的被动热保护。
在粒子物理学中作为Cherenkov效应探测器中的辐射器，例如Belle探测器的ACC系统，用于KEKB的Belle实验。 气凝胶的适用性取决于它们的低折射率，填充气体和液体之间的间隙，以及它们的透明度和固态，使它们比低温液体或压缩气体更容易使用。 它们的低质量也有利于太空任务。
间苯二酚 – 甲醛气凝胶（化学上类似于酚醛树脂的聚合物）用作制造碳气凝胶的前体，或当需要具有大表面的有机绝缘体时。 它们是高密度材料，表面积约600 m2 / g。
通过用含有过渡金属离子的溶液浸渍水凝胶并用γ射线照射结果制备的金属 – 气凝胶纳米复合材料沉淀金属的纳米颗粒。 这种复合材料可用作催化剂，传感器，电磁屏蔽和废物处理。 铂 – 碳催化剂的前瞻性用途是燃料电池。
由于其生物相容性，作为药物输送系统。 由于其高表面积和多孔结构，药物可以从超临界CO2吸附。可以通过改变气凝胶的性质来调整药物的释放速率。
碳气凝胶用于构建小型电化学双层超级电容器。 由于气凝胶的高表面积，这些电容器可以是类似额定电解电容器尺寸的1/2000至1/5000。 与普通超级电容器相比，气凝胶超级电容器可以具有非常低的阻抗，并且可以吸收或产生非常高的峰值电流。 目前，这种电容器是极性敏感的，需要串联连接以实现大于约2.75V的工作电压。
Dunlop Sport在其部分球拍中使用气凝胶进行网球，壁球和羽毛球。
在水净化方面，chalcogels在从水中吸收重金属污染物汞，铅和镉方面显示出前景。
气凝胶可以将紊乱引入超流氦-3中。
在飞机除冰中，一项新提案使用碳纳米管气凝胶。 将细丝纺丝在卷绕机上以产生10微米厚的薄膜，相当于A4纸。 覆盖大型喷气式飞机机翼所需的材料重量为80克（2.8盎司）。 气凝胶加热器可以低功率连续使用，以防止结冰。
雪佛兰Corvette（C7）的隔热传输隧道。
CamelBak使用气凝胶作为保温运动瓶中的绝缘材料。
45 North在其Sturmfist 5骑行手套中使用气凝胶作为手掌保温材料。

安全
不知道二氧化硅基气凝胶是致癌的还是有毒的。 然而，它们对眼睛，皮肤，呼吸道和消化系统具有机械刺激性。 吸入时，小二氧化硅颗粒可能会引起矽肺病。 它们还可以诱导皮肤，眼睛和粘膜的干燥。因此，建议在处理或处理裸露的气凝胶时佩戴包括呼吸保护装置，手套和护目镜的防护装备。