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1、重庆理工大学重庆理工大学材料与文明结课论文院系：院系：XXXXXXXXXXX班级：班级： XXXXXXXXXXXXXXXXXX学号：学号：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX姓名：姓名： X X X X X X指导教师：指导教师：X X X X标题：轻质材料“气凝胶”(碳海绵)一、一、 【摘要摘要】1. 选题目的目前，全球的石油开采正由路上转到海上，由此引起的一些石油污染将会不断波及人类海上渔业的发展，以及海上石油运输的过程导致的原油泄漏事件不断发生，世界各国都在不断的研发各种预防措施，致使而 2013年的材料发展我想浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶它刷新了目前世
2、界上最轻材料的纪录，弹性和吸油能力令人惊喜。在新的发展机遇的大好形势下，我国应加快和推进“碳海绵”的产业化进程的速度加快了，也为我国的经济发展做出重大贡献。2. 背景介绍碳海绵;这一特性可用来处理海上原油泄漏事件把碳海绵;撒在海面上，就能把漏油迅速吸进来，因为有弹性，吸进的油又挤出来回收，碳海绵也可以重新使用 ，另外，碳海绵;还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料，减少社会风险的重要因素，它们推进人类对于自然的新认识，拓展人类的生存能力与发展空间打造人类对于这个世界新的概念与价值观念。二、二、 【正文正文】气凝胶的简介：气凝胶的简介： 1、定义：石墨烯制造出了气凝胶碳海绵;。碳
3、海绵;每立方厘米重 0.16 毫 克，比氦气还要轻，约是同体积大小氢气重量的两倍 ，它的内部有很多孔隙，充满 空气 。 2、碳海绵主要产品及应用：与传统的无机气凝胶(如硅气凝胶)相比， 炭气凝胶具有许多优异的性能和更加广阔的应用前景。炭气凝胶具有导电 性好、比表面积大、密度变化范围广等特点，是制备双电层电容器理想的 电极材料。炭气凝胶是唯一具有导电性的气凝胶，可用于超级电容器的电 扳材料。有机气凝胶及炭气凝胶具有生物机体相容性，使得其可用于制造 人造生物组织、人造器官及器官组件、医用诊断剂及胃肠外给药体系的药 物载体。由于炭气凝胶的组成元素(碳)原子序数低，因而用于 Cerenkov 探 测器
4、时优于硅气凝胶材料。自从 80 年代末 R.W.Pekala 首次合成出 RF（resorcinol formaldehyde）有机气凝胶并由其炭化得到炭气凝胶以来， 这一领域的研究几乎被其所在的美国 Lawrence Livermore 国家实验室所垄断，直到 2013 年 3 月我国才制作出并且打破美国的最轻型材料的记录。 碳海绵的性能和研究现状：碳海绵的性能和研究现状： 基础研究方面，气凝胶是研究分形结构动力学的最佳材料。散射实验 表明，绝大多数气凝胶材料具有典型的分形结构，它们由尺度为 a（约为 1nm）的凝胶粒子相互堆积，交联形成无规三维网络状结构，这些网络具 有自相似结构，自相似结
5、构持续到尺度 （约为 100nm），在 尺度上， 材料可看成是连续且均匀的。在不同的尺度范围内，以 和 a 为界，存在 三个色散关系明显不同的激发区域，分别对应声子，分形子和粒子模的激 发。要在不同试验上来检测分性子的色散关系以及不同振动区的渡越行为， 就需要能够制备一系列分维数 D 相同而宏观密度 不同的试样，而且其结 构又是交互自相似的。由于气凝胶的结构可控性，通过控制凝胶过程中的 各种影响因素以及超临界干燥工艺，是可以制备出符合要求的样品系列来 的。 机械性能方面，气凝胶的杨氏模量 Y，压缩强度以及声传播速率 C 与 其宏观密度 之间关系都满足标度定律，可分别表示如下：Ckn，Ykm，其
6、中标度参量 nm 均与气凝胶的制备条件密切相关。气 凝胶的杨氏模量为 106N/m2数量级，比相应玻璃态材料低 4 个数量级。其 纵向声速可达 100m/s 量级。此外，声传播的另一个奇特的性质氏其弹性常 数会随外界压力的增加而减小。气凝胶的声阻抗 Z=C,可变范围很大，进 而可以通过控制 的变化来制备成不同声阻抗 Z 的材料，从而，气凝胶是 一种声阻抗耦合材料。 热学性能方面，气凝胶具有优异的隔热属性。气凝胶的热传导由气态 传导、固态传导和辐射传导组成，由于气凝胶独特的纳米多孔三维网络状 结构，使得在常压下材料孔隙内的气体对热传导的贡献极低。即使在抽取 完气凝胶内的气体后，低密度，高空隙率的
7、气凝胶限制了局域激发的传播， 使得固态传导和辐射传导也降低。气凝胶的固态传导率比相应的玻璃态材 料低 2-3 个数量级。气凝胶的热辐射传输主要由红外吸收决定，这种材料 对低温物体的贯穿辐射主要集中在 3-5m 范围内。如果在气凝胶制备的溶 胶凝胶过程中中加入例如碳黑，TiO2 等遮光剂，则会显著地增加红外湮 灭系数，使得在常温常压下，粉末气凝胶和块状气凝胶的热导率都将降低， 如果对其进行抽真空处理，则其总热导率将会将至更低的水平，这也是目 前粉体和块体材料的最低值。另外无机气凝胶能耐高温，在 800以下， 结构和性能无明显变化，如 Al2O3 气凝胶则可耐 2000的高温，在作为高 温隔热材料
8、方面，有着无比的优越性。 电学性能方面，气凝胶的介电常数 与质量密度 之间有近似的线性 关系，如 MF 气凝胶 -11.8310-3，RF 气凝胶有 -1=1.7510-3。由于 其气凝胶的介电常数特别小，因此有可能被用于高速计算的大规模集成电 路的衬底材料。在将有机气凝胶炭化后制备成的炭气凝胶除了其多孔性及 巨大的比表面积外，还具有到电性，其电导率 一般在 10-40s/cm，因此可 以用来制造高效高能底可充电电池。 光学性能方面，许多气凝胶能制成透明或半透明材料，如硅气凝胶在 波长 630nm 处湮灭系数 e0.1m2/kg ，同时由于其密度极低，可以使得光 在这个波长范围内的平均自由程很
9、小，从而透明度很好。由于组成气凝胶的骨架结构一般都是由在 1-100nm 的单元组成，故对蓝光和紫外光有较强 的散射。例如硅气凝胶的折射率接近 1，同时对红外和可见光的湮灭系数 之比高达 100 以上，使得其能在让太阳光有效通过的同时，还阻止环境温 度的红外辐射，从而成为一种理想的透明绝热材料。 催化剂及其载体方面，气凝胶具有高比表面积、高孔隙率、低密度且 具有良好的稳定性，是催化剂及其载体的最佳材料之一。有机气凝胶具有 高的比表面积、高的孔隙率及低密度，也可作为催化剂及其载体，同时有 机气凝胶有强吸附性能，其在气体过滤器、污水处理方面有很大应用价值。激光直接驱动惯性约束靶方面，众所周知受控热
10、核聚变反应所释放的 反应能是廉价、清洁、安全的理想能源，而惯性约束聚变（ICF）是实现受 控热核聚变的重要途径之一，它利用高功率激光束直接或间接作用在聚变 靶丸上，使靶丸内的 D-T 燃料迅速被压缩至高温，高密度，最终在惯性约 束时间内完成聚变反应。理论与实验均表明，利用多孔低密度材料吸附 D- T 液体，有利于节约驱动能，提高聚变产额；气凝胶的纳米级网络状结构 和高比表面积以及结构可控等特点使得其可能成为新型低密度靶的最佳材 料；利用在溶胶凝胶过程掺入高 Z 元素的方法制备的二元或多元复合气 凝胶材料，可用于 ICF 诊断实验。 气凝胶除了科学实验中有广泛的应用外，在商业上也有较多应用。如
11、在高能物理上用作 Cerenkov 探测器，在宇宙尘埃探测中用作粒子捕获器等。 同时在以气凝胶这一材料为基础之上，大批的复合材料也应运而生，倪星 元等人制备了由 SiO2 气凝胶、聚酰亚胺和镀铝层(SiO2/PI/Al)组成的柔性 多层薄膜，在其具有良好的保温隔热特性的同时，材料的柔性也在一定程 度上增加保温隔热材料的应用范围。除此之外，气凝胶在太阳能、原子能 等新能源的开发、信息产业及环保方面等也有广泛的应用。纳米结构的气 凝胶还可用作新型气体过滤器，与其它材料不同的是该材料孔洞大小分布 均匀，孔隙率高，是一种高效气体过滤材料。在医学领域，气凝胶适用于 药物控制释放体系。气凝胶的用途远不止上
12、述这些，它必将随着人们研究 的深入而不断开拓出新的应用领域。 对于我国现状应如何应对气凝胶发展前景：对于我国现状应如何应对气凝胶发展前景： 目前世界上生产 Si02气凝胶的主要厂家有美国的 WRGrace、Aspen 公司，英国的 Crosfield 公司，日本的 FujiSilysia 公司等，其中美国WRGrace 公司的产量约占世界总产量的一半，一直处于世界的垄断地位。美国的 Nanopore 公司、Aeroget 公司以及德国的 BASF 公司、DESY 公司、Hoechst 公司也在开展气凝胶的商业应用研究。全世界 Si02气凝胶的产量每年约 30 万吨左右，据统计，在全球的用量中，
13、欧洲占 50，美洲占 20，亚洲及太平洋地区占 30，并呈逐渐扩大的趋势。我国的 Si02气凝胶生产目前仍处于研发阶段，也有几个利用溶胶凝胶法生产 Si02气凝胶粉末的厂家，如山西天一纳米材料科技有限公司、绍兴纳诺高科有限公司，长沙蜂巢颜料化工有限公司，广州市人民化工厂，但其生产规模均很小。由于国内生产能力的限制，Si02气凝胶产品的进口价格非常高，最高可达 15 万元每吨。目前在国内 Si02气凝胶主要用于以下方面：用 Si02气凝胶做为涂料的消光剂，它具有较高的消光效率和透明度，易分散，漆膜表面光滑且在涂料储存过程中不产生硬沉淀，不影响涂膜的性能，备受涂料制造商的欢迎。用 Si02气凝胶做
14、彩喷纸吸墨涂层，图像色彩鲜艳，清晰度高，打印油墨渗透、扩散小，涂布量低。用 Si02气凝胶做纸张上胶剂，纸张白度、不透明度提高，印刷性能、耐磨性和手感性均提高，我国目前每年用于纸张的 Si02气凝胶约 10000 吨左右，大部分依赖进口。由于 Si02气凝胶比表面积大，吸附性强，并且稳定性好，作为医药的助剂，起到速溶、加快药效的作用，我国每年需求量约在 5000 吨左右。Si02气凝胶作为食品添加剂已经得到了广泛地应用，我国每年用于食品行业的Si02气凝胶约 15000 吨，主要依赖进口。Si02气凝胶作为催化剂载体，国内每年进口约 1000 吨。Si02气凝胶在塑料行业用作抗粘剂国内每年消耗 8000 吨左右。【参考文献参考文献】 1 汪武;陈建;黄昆常;压制备疏水性二氧化硅气凝胶J; 无机盐工业; 2011 年 05期2 杨杰;李树奎;闫丽丽;王富耻;二氧化硅气凝胶的防爆震性能及机理研究J;物理学报; 2010 年 12 期 3 姚明明;姚欣;疏水性二氧化硅气凝胶的常压制备与表征J; 广东化工;2010 年 01 期4 何飞;赫晓东;李垚;气凝胶热特性的研究现状J;材料导报;2005 年 12 期
