二氧化硅氣凝膠
關注創建者：匿名 創建時間：2022-10-31
二氧化硅氣凝膠的實例教程
來源 | Advanced Functional Materials
01
背景介紹
氣凝膠是一類納米多孔材料，是最有前途的保溫材料之一。其獨特的結構使其具有高比表面積(SSA)、極高孔隙率、超低密度、低導熱系數等特性，使氣凝膠在建筑、航空航天、儲能、氣體檢測、催化、吸附、傳感器和熱管理等領域工業領域得到了廣泛的應用。硅基氣凝膠因其導熱系數低、熱穩定性強而被廣泛用作輕質保溫材料，現已顯示出巨大的商業價值，有助于減少碳排放。二氧化硅氣凝膠是一種具有超低密度和導熱性的多孔材料，因其優異的保溫性能而越來越受到學術界和工業界的關注。二氧化硅氣凝膠在絕熱材料中的廣泛應用是由于其超低導熱系數。因此，太陽能加熱和輻射冷卻二氧化硅氣凝膠可能在室外環境中發揮關鍵作用，二氧化硅氣凝膠的低導熱系數可能會嚴重阻礙傳導和對流散熱，但由于其白天的高透明度，太陽能加熱可能會突出，而由于其在夜間的強大輻射冷卻，其本身將成為冷卻器，從而導致與傳統認知相反的熱管理行為。因此，如何自適應控制二氧化硅氣凝膠的保溫、太陽能加熱和輻射冷卻，以獲得按需的二氧化硅氣凝膠熱管理行為仍然是一個挑戰。
02
成果掠影
近期，為了深入探索氣凝膠的熱管理性能，近日，中科院蘇州納米所李清文和王錦等人設計合成了系列具有不同光學性能（包括不同太陽光透過率和中遠紅外發射率）的氧化硅氣凝膠，系統研究了自然環境下氧化硅氣凝膠的熱管理性能。當二氧化硅氣凝膠用于熱管理時，隔熱始終是唯一的考慮因素。本研究揭示了二氧化硅氣凝膠在不同環境下被動保溫、被動加熱或被動冷卻的按需熱管理(ODTM)。
展開 總結：該文研究揭示了二氧化硅氣凝膠在不同環境下被動保溫、被動加熱或被動冷卻的按需熱管理（ODTM）。二氧化硅氣凝膠的ODTM行為可以簡單地通過其光學性質的變化來實現，例如太陽光透明度和紅外發射率，這些變化可以通過構建塊的微觀結構和表面成分設計來控制。該研究指導了對二氧化硅氣凝膠熱管理行為的全面理解，并通過調整二氧化硅氣凝膠的光學和導熱性能，導致二氧化硅氣凝膠的ODTM應用。
抽象：Silica aerogels, a type of porous material featuring extra low density and thermal conductivity, have drawn increasing interest from both academia and industry owing to their excellent thermal insulation performance. However, thermal insulation is always the single consideration when silica aerogels are used for thermal management. In this study, the on-demand thermal management (ODTM) of silica aerogel with either passive thermal insulation, passive heating, or passive cooling in different environments is revealed.
展開 最近，
東華大學
丁彬研究員
、
武漢大學
鄧紅兵教授
科研團隊
受蘆葦葉的血管組織結構、蒸騰作用和防污功能的啟發，該團隊設計了具有平行排列的血管和疏水表面的仿生分層納米纖維氣凝膠，用于高效和耐鹽的太陽能海水淡化。
可折疊的血管壁和柔軟的二氧化硅納米纖維
使受蘆葦葉啟發的納米纖維
氣凝膠
(R-NFAs) 具有優異的機械性能，并使它們能夠承受反復壓縮
。此外，R-NFAs 可以有
效地吸收陽光（
光吸收效率：
94.8%
）并將鹽水蒸發成蒸汽，類似于蘆葦葉（
蒸發率：1
個
太陽下 1.25 kg m
–2
h
–1
）。更重要的是，通過疏水表面和平行排列的容器，R-NFAs 可以在高強度光（高達6
個
太陽光）下在高濃度鹽水
（飽和，26.3 wt%）
中穩定工作，表現出強大的耐鹽性。
預計具有組合抗鹽孔和表面結構的 R-NFA 將為抗鹽太陽能海水淡化提供設計概念。
相關論文以題為
Reed Leaves Inspired Silica Nanofibrous Aerogels with Parallel-Arranged Vessels for Salt-Resistant Solar Desalination
發表在《
ACS
Nano
》上。
主圖
圖
1.
(a) 傳統太陽能蒸發器的光吸收、水傳輸、蒸汽產生和鹽結晶。(b) 蘆葦葉的微觀結構和疏水性。(c) 蘆葦葉的光吸收、水傳輸、蒸汽產生和耐鹽性啟發了納米纖維氣凝膠（R-NFA）。
圖
2.
(a) R-NFAs 制造過程示意圖。
展開 有一種材料，雖然是固體，卻無比輕盈，看起來好像一股裊裊的藍煙，如夢似幻，這就是目前世界上最輕的固體材料——氣凝膠。
什么是凝膠？
凝膠就是凝聚的膠體，膠體是介于溶液和濁液之間的一種混合物，其顆粒大小在1-100nm之間。膠體的顆粒都帶有同種電荷，因此在一般狀態下，由于同種電荷相互排斥，這些顆粒無法碰撞結合。但是如果在膠體中混入電解質，這些顆粒所帶的電荷就會被電解質中帶電粒子的電荷中和，顆粒間不再發生電荷互斥，而是碰撞結合，形成凝膠。
什么是氣凝膠？
凝膠中的膠體顆粒相互結合，但是這些顆粒并不像石榴籽那樣緊密地挨在一起，而是連結成了空間網狀結構。這樣的空間網狀結構存在大量的孔洞，而孔洞中又充斥著液體。在不破壞空間網狀結構的前提下，將這些液體抽離，任氣體充盈在結構周圍，便形成了氣凝膠。
氣凝膠有什么用？
氣凝膠有很多種，如氧化物氣凝膠、有機炭氣凝膠、碳化物氣凝膠、金屬氣凝膠、多組分氣凝膠等。
二氧化硅（SiO2）氣凝膠是一種非常好的隔熱材料。而且SiO2氣凝膠的折射率接近空氣，使得太陽光可以輕易地從中穿過。憑借這種隔熱透光的特性，SiO2氣凝膠已在太陽能利用以及建筑節能等方面有所應用。
全碳氣凝膠具有極強的吸附能力，可吸附自身質量最高可達900倍的有機溶劑。而且，它的吸附效率也十分驚人，1g全碳氣凝膠每秒鐘便能吸附68.8g的有機物。全碳氣凝膠的結構韌性也非常優良，即便被數千次壓縮至原體積的20%也可迅速復原。
如今，氣凝膠已被廣泛應用于許多領域，制造出如氣凝膠體育器材、氣凝膠電池、氣凝膠房屋、氣凝膠登山鞋等新型產品。
不過，要使氣凝膠產品走進千家萬戶，似乎還需要一些時間。
展開 例如，Wu發現，隨著Al/Si摩爾比的增加，SiO2-Al2O3氣凝膠的形貌可能從連接的球形顆粒轉變為納米級的纖維顆粒和網狀微觀結構(見圖15)，其直徑不同。
圖15.SiO2-Al2O3復合氣凝膠的生長機理示意圖。
由于各組分之間的協同作用，多組分SA-TIMs可以充分利用各組分網絡，獲得更好的理化性能。例如，具有三維納米互穿網絡的二氧化硅氣凝膠和二氧化硅/纖維素氣凝膠具有高強度、高剛性、低導熱性和穩定的微觀結構。Yu等人提出了一種新的合成策略，用于苯酚-甲醛(PFR)樹脂與SA的共聚和納米級相分離，展示了一個二元網絡結構(見圖16)，其結構域尺寸小于20 nm。PFR/SA復合材料具有優異的保溫、防火和阻燃性能，可承受60%的壓縮而不破裂。
圖16.具有二元網絡結構的PFR/SA復合氣凝膠示意圖。
上述多相摻雜、共形包覆和多組分SA-TIMs都有其獨特的缺陷。例如，短纖維增強SA-TIMs的強度和韌性普遍較低，而長纖維或纖維氈增強SA-TIMs的結構穩定性較差。Zhao等人提出了一種通過在納米纖維素支架(NFCS)內形成互穿二氧化硅網絡來制造堅固的聚合物/SA復合材料的新途徑(見圖17)。與純SA相比，通過該策略制備的最佳SA-TIMs壓縮模量和最大強度分別提高了55%和126%，同時導熱系數保持在17.5mW/(m?K)的低水平。
圖17.生物基聚合物- SA復合材料的制備工藝。
展開 
二氧化硅氣凝膠的最新內容
來源 | Small
作者 | 苗沐霖博士
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來源 | Composites Part A
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背景介紹
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來源 | Nature Communications
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來源 | ACS Applied Materials & Interface
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背景介紹
由于氣凝膠在航空航天工業、軍事行動和靠近火源等惡劣環境領域的應用潛力，其高溫熱防護受到了研究人員的廣泛關注。特別是，聚酰亞胺、酚醛、芳綸等有機氣凝膠由于其低密度而非常有利，其中具有高炭產率的酚醛樹脂氣凝膠(PRA)作為一種有能力的燒蝕劑很受歡迎，為了在高機械應力和高熱載荷條件下獲得更好的力學性能
來源 | 中科潤資公眾號
近日，中科潤資通過前驅體金屬氧化物注入、控制濕凝膠介孔成型， 并調整纖維載體成分和直徑比例分布，優化惰性氣體置換條件等技術措施，成功將硅系纖維氣凝膠復合材料在高溫段（500℃）的導熱系數降低至0.044w/m·k（穩態熱防護板法 GB/T 10294-2008，ASTM C177-19），并滿足在1300℃時長效穩定絕熱，達到世界領先水平
來源 | Nature Communication
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背景介紹
自然界是一個充滿美麗和神秘的世界，它包含了許多驚人的幾何結構。這些構型不僅具有豐富的信息，而且具有深刻的科學意義。形態編輯伴隨著整個人類文明的發展，如石器的磨制、青銅器和陶器的建造、棉麻織物的編織等。在材料科學中，組態編輯在產品的結構設計和功能實現中起著重要的作用。例如，形狀記憶材料
來源 | ACS Nano
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背景介紹
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來源 | Composite: Part A
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來源 | Advanced Materials
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背景介紹
纖維是一種豐富多樣的材料，天然纖維如頭發、羊毛和棉花可以追溯到古代，而合成纖維如聚酯、尼龍和丙烯酸纖維現在被廣泛使用。其優異的可編織性和可加工性使其適用于智能傳感，電磁屏蔽，生物抗菌劑和隔熱領域。具有新穎結構和功能的現代纖維(如中空纖維，微纖維，和羽絨纖維)由于其高表面積和高纖維間/纖維內的空氣保持性而成為保暖織物的首選
來源 | Materials Today Communications
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背景介紹
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