二氧化硅气凝胶的热学特性及其应用

二氧化硅气凝胶
 

       一、热学特性及其应用  

       1、二氧化硅气凝胶热学特性

       气凝胶的纳米多孔结构使它具有极佳的绝热性能，其热导率甚至比空气还要低，空气在常温真空状态下的热导率为0.026W/(m·k)，而气凝胶在常温常压下的热导率一般小于0.020W/(m·k)，在抽真空的状态下，热导率可低至0.004W/(m·k)。

 

       气凝胶之所以具有如此良好的绝热特性与它的高孔隙率有关。热量的传导主要通过三种途径来进行，气体传导，固体传导，辐射传导。在这三种方式中，通过气体传导的热量是很小的，因此大部分气体都具有非常低的热导率。常用的绝热材料都是多孔结构，其正是利用了空气占据了固体材料的一部分体积，从而降低了材料整体的热导率。气凝胶的孔隙率比普通绝热材料要大得多，其95%以上都是由空气构成，决定了其将具有与空气一样低的热导率。而且气凝胶中包含大量孔径小于70nm的孔，70nm是空气中主要成分氮气和氧气的自由程（气体分子两次碰撞之间的时间内经过的路程的统计平均值），因此意味着空气在气凝胶中将无法实现对流，使得气态热导率进一步降低。气凝胶中含量极少的固体骨架也是由纳米颗粒组成，其接触面积非常小，使得气凝胶同样具有极小的固态热导率。气凝胶的热辐射传导主要为发生在3-5μm区域内的红外热辐射，其在常温下能够有效的阻挡红外热辐射，但随着温度的升高，红外热辐射透过性增强。为了进一步降低高温红外热辐射，通常向气凝胶中加入遮光剂，如碳黑、二氧化钛等，遮光剂的使用能够大大降低高温下的红外热辐射。  

       2、二氧化硅气凝胶应用

       SiO2气凝胶作为一种纳米孔超级绝热材料，除具有极低的热导率之外还具有超轻质以及高热稳定性的特性，它在工业、民用、建筑、航天及军事等领域具有非常广泛的应用。  

       1）、传统工业领域  

       如石化行业、化工行业、冶金行业等等，管道、炉窑及其它热工设备普遍存在，用气凝胶隔热材料替代传统的保温材料，节能效果明显。  太阳能利用   具有高度透光率及低热导率的气凝胶对入射光几乎没有反射损失，能有效地透过太阳光，因此气凝胶特别适合于用作太阳能集热器及其它集热装置的保温隔热材料，当太阳光透过气凝胶进入集热器内部，内部系统将太阳光的光能转化为热能，气凝胶又能有效阻止热量流失。  

       2）、节能建筑

       由于气凝胶既具有绝热特性，又具有吸声特性，且具有透光性，因此可以将气凝胶夹在双层玻璃之间制成夹芯玻璃，其绝热效果比普通的双层玻璃高几倍，且具有降噪效果。将这种玻璃用于房屋的窗户，可以大大降低热量流失，有明显的节约能源的作用，以气凝胶为夹层的窗玻璃的热损失率比目前最好的窗系（氢气充填并用低发射率的铟氧化物或银作涂层）还要减少三分之二。如果将气凝胶玻璃用于高层建筑取代一般幕墙玻璃，将大大减轻建筑物自重，并能起到防火作用。

       3）、航空航天   

       与传统隔热材料相比，SiO2气凝胶隔热材料可以用更轻的质量、更小的体积达到更好的隔热效果，这一特点在航空、航天应用领域具有极大的优势。  气凝胶可以作为飞机上使用的隔热消音材料。据报道，航天飞机及宇宙飞船在重返大气层时要经历数千摄氏度的白炽高温，保护其安全重回地球的绝热材料正是SiO2气凝胶。美国NASA在“火星流浪者”的设计中，使用了SiO2气凝胶作为保温层,用来抵挡火星夜晚的超低温。

       4）、军事领域

       SiO2气凝胶可作为飞机机舱的隔热层材料。可以作为核潜艇、蒸汽动力导弹驱逐舰的核反应堆、蒸发器、锅炉以及复杂的高温蒸汽管路系统的高效隔热材料，可以增强隔热效果，降低舱内温度,同时有效降低隔热材料的用量,增大舱内的使用空间，有效改善各种工作环境。  

       5）、家电

       用块状、颗粒状或粉末状的气凝胶取代氟里昂发制的聚氨酯泡沫作为冰箱等低温系统的隔热材料，可以防止氟里昂气体泄漏破坏大气臭氧层，从而保护人类的生存环境。  

       6）、服装   

       将二氧化硅气凝胶作为冬季保暖服装的衬料可以使服装既轻质又保暖。