二氧化硅气凝胶的热学特性及其应用

 二氧化硅气凝胶的热学特性及其应用_二氧化硅气凝胶是一种合成的无定形硅胶，与结晶硅胶显著不同。硅胶分子由一个硅原子和两个氧原子构成。如下图所示，硅胶有两种基本形式：无定形硅胶和结晶硅胶。如果硅胶分子排列整齐并且形成可重复样式，则为结晶硅胶。如果硅胶分子排列不整齐，则为无定形硅胶。

二氧化硅气凝胶又被称作蓝烟、固体烟，是目前已知的轻的固体材料，也是迄今为止保温性能好的材料。因其具有纳米多孔结构（1~100nm）、低密度（3~250kg/m3）、低介电常数（1.1~2.5）、低导热系数（0.013~0.025W/(m•k)）、高孔隙率（80~99.8%）、高比表面积（500~1000m2/g）等特点，在力学、声学、热学、光学等诸方面显示出独特性质，在航天、军事、石油、化工、矿产、通讯、医用、建材、电子、冶金等众多领域有着广泛而巨大的应用价值，被称为改变世界的神奇材料。

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/(mk)，而气凝胶在常温常压下的热导率一般小于0.020W/(mk)，在抽真空的状态下，热导率可低至0.004W/(mk)。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3-5um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。