氣凝膠是一種有著多孔網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的固態(tài)凝膠材料，其內(nèi)部孔隙中充滿空氣。美國Stanford University的Kistler教授用水玻璃通過溶膠一凝膠法在超臨界干燥條件下首次得到了二氧化硅氣凝膠。氣凝膠有很多種，其中SiO2氣凝膠最為常見，呈半透明淡藍(lán)色，質(zhì)量超輕類似“固態(tài)的煙”。SiO2氣凝膠作為多孔材料的典型，內(nèi)部大部分空間被空氣(或其它氣體)填充，其骨架的體積僅占總體積的0.15％～15％。氣凝膠的平均孔徑約25nm，空氣分子(自由程50~70nm)在其間無法自由運動；另外，氣凝膠骨架內(nèi)部有許多“死胡同"般大小不一的閉孔，這增加了氣凝膠固體熱傳輸?shù)穆窂剑虼藲饽z是熱的不良導(dǎo)體。
SiO2氣凝膠的結(jié)構(gòu)特點及性質(zhì)
SiO2氣凝膠具有多孔結(jié)構(gòu)，直徑為3～8nm左右的初級粒子相互團(tuán)簇構(gòu)成。其骨架是由結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。圖中箭頭標(biāo)示了一條熱量傳導(dǎo)路徑，可這種三維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)延長了熱流的傳導(dǎo)路徑，進(jìn)而使熱阻增大。
圖1-1氣凝膠結(jié)構(gòu)示意圖
SiO2氣凝膠獨特的三維結(jié)構(gòu)使它具備了一系列超凡的性質(zhì)，見表1-1中
表1-1氣凝膠物性參數(shù)
氣凝膠材料應(yīng)用實例
1、保溫材料(熱絕緣體)
(1)管路保溫、易揮發(fā)或易燃物質(zhì)儲運方面。氣凝膠材料最廣泛的應(yīng)用是在爐體管線保溫、熱力廠管線保溫、液化天然氣儲罐等領(lǐng)域。如圖1-2所示。
圖1-2氣凝膠材料在工業(yè)中保溫的應(yīng)用
(2)紡織品、服裝保暖
在二十世紀(jì)初期，氣凝膠毯開始出現(xiàn)。美國阿斯彭公司曾將氣凝膠與織物復(fù)合后制備了名為SpacelofI的毯狀氣凝膠產(chǎn)品；2010年左右，雨果公司成功推出了一款氣凝膠夾克并成功上市；登山愛好者使用氣凝膠鞋墊和睡袋(內(nèi)襯材料)后也給予了其極高的評價。氣凝膠材料做成的衣服見圖1-3。
圖1-3氣凝膠材料做成的衣服
(3)房屋建材、冰箱等方面。氣凝膠材料可用在房屋的房頂或者玻璃上用來隔熱，如圖1-4。氣凝膠玻璃的導(dǎo)熱能力極小，可起到很好的節(jié)能作用。另外，當(dāng)前使用的氟制冷冰箱或聚氨酯泡沫塑料會產(chǎn)生破壞臭氧層的化學(xué)物質(zhì)，因此氣凝膠的使用也會更加環(huán)保。
圖1-4氣凝膠房子模型及其玻璃結(jié)構(gòu)示意圖
2、航空航天領(lǐng)域
氣凝膠材料也廣泛的應(yīng)用在航空航天方面，如火星探測器、海軍潛水服、宇航服等。
3、氣凝膠在其他領(lǐng)域的應(yīng)用
氣凝膠的吸附性可用來制造防毒面具或用來治理油體泄露帶來的污染，還用在過濾器、燃料儲存等方面。此外，氣凝膠還能作為模板材料。