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气凝胶发展历史

时间:2019-10-01     作者:/【原创】   阅读

世界上第一个气凝胶产品是1931年制备出的。当时,美国加州太平洋大学(College of the Pacific)的Steven.S. Kistler提出要证明一种具有相同尺寸的连续网络结构的固体“凝胶”,其形状与湿凝胶一致。证明这种设想的简单方法,是从湿凝胶中驱除液体而不破坏固体形状。如按照通常的技术路线,很难做到这一点。如果只是简单地让湿凝胶干燥,凝胶将会收缩,常常是原来的形状破坏,破裂成小碎片。也就是说,这种收缩经常是伴随着凝胶的严重破裂。Kistler推测:凝胶的固体构成是多微孔的,液体蒸发时的液一气界面存在较大的表面张力,该表面张力使孔道坍塌。此后,Kistler发现了气凝胶制备的关键技术(Kistler,  1932)。这项发现之后,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。下面是一些著名的成果:

  (1) 20世纪80年代初期,粒子物理学家认识到SiO 2 气凝胶将是制造切仑科夫(Cherenkov)探测器的理想介质材料,试验需要大量的透明SiO 2 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 (Deutsches Elektronen Synchrotron)实验室的TASSO探测器,使用了1700升SiO 2 气凝胶;另一个是欧洲粒子物理研究所(CERN)制造的探测器,使用了由瑞典兰德大学(University of Lund)制备的1000升Si0 2 气凝胶。

(2)使用TMOS方法,制备Si0 2 气凝胶块状材料的第一个试验工厂(中试厂)是由兰德大学的研究人员在瑞典的斯乔波(S jobo)建立的。工厂使用了3000升的高压反应釜,以满足使用超临界甲醇(240℃,80个大气压)所需的高温高压。可是,在1984年高压釜在生产过程中发生泄漏,厂房内很快充满了甲醇蒸气,随之发生了爆炸。幸运的是,在这次事故中未造成人员伤亡,但设备完全报废了。后来,工厂重建,继续使用 TMOS方法生产SiO 2 气凝胶。现在,这家工厂由Airglass企业管理。

(3) 1983年,伯克利实验室((Berkeley  Lab)的微结构材料研究组(Microstructured Materials Group)发现毒性非常大的化合物TMOS可用正硅酸乙脂(TEOS)替代,TEOS是比较安全的试剂,使用TEOS不降低气凝胶产品的质量。

(4)微结构材料研究组(Microstructured Materials Group)也发现,在进行超临界干燥之前,凝胶中的乙醇能用液态CO 2 替换,而不会对气凝胶产生不良影响。在安全性方面,这又是一个极大的进步,因为在CO 2 的临界点(31.0 C , 7.3MPa)的操作条件要比甲醇的临界点(239.40℃, 8.09MPa)的操作容易控制。此外,C0 2 没有爆炸的危险。这种技术被用于由TEOS制备透明的SiO 2 气凝胶材料。德国BASF企业同时发明了由硅酸钠制备SiO 2 气凝胶小珠的CO 2 取代方法,这种材料直到1996年才开始投产,商品名为“BASOGEL"。

(5) 1985年,德国维尔兹堡大学物理所的Jochen Fricke教授在维尔兹堡组织了首届“气凝胶国际研讨会”(International Symposium on Aerogels,简称ISA)在这次会议上收到了世界各地的研究人员提交的25篇论文。随后,ISA分别于1988年在法国的蒙彼利埃、1991年在德国的维尔兹堡、1994年在美国的伯克利举行。其中参加1994年的第四届ISA会议的人员有151名,10个特约报告,51篇投稿,35篇展报。第五、六界ISA会议分别于1997年和2000年在法国的蒙彼利埃及美国新墨西哥州的阿尔伯克基市(Albuquerque)举行。

(6) 20世纪80年代后期,由Larry Hrubesh领导的LLNL实验室(Lawrence Livermore National Laborato动研究人员制备出世界上密度最小的CO 2 气凝胶(并且是密度最小的固体材料),气凝胶的密度为0.003g/cm3,仅是空气密度的3倍。

(7)美国的喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)制备的气凝胶已经在航天飞机宇宙飞行中实行了几次特别任务,这些低密度的气凝胶被用来收集高速的宇宙尘埃样品(Tsou, 1995) ,和航天飞机隔热,气凝胶作为超级隔热材料受到重视,研发重心转移到美国。

(8)1999年美国Aspen Systems企业承接美国宇航局的课题制备出纤维复合的气凝胶超级绝热材料,2001年成立了Aspen Aerogel企业进行气凝胶的商业化运作,尤其开启气凝胶作为超级绝热材料产业化热潮。

(9)2004年国内第一家从事气凝胶材料产业化的企业纳诺高科成立,2014年浙江圣诺节能技术有限企业成立,推出了当前最先进的气凝胶技术和产品。

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