气凝胶的应用与制备
气凝胶的制备与应用
摘要
本文简要综述了气凝胶[9]的基本特性、制备方法、表征手段和其国内外研究概况；主要工作及相应
超临界流体干燥方法制备出性能优良、具有纳米网络结构结果是采用溶胶－凝胶工艺、溶剂置换和CO
2
的气凝胶。
目录
1.气凝胶的性质及其应用
2.气凝胶的制备
3.气凝胶的结构控制及表征
4.发展与展望
前言
气凝胶是一种新型低密度多孔纳米材料，具有独特的纳米级多孔及三维网络结构，同时具有极低的密度（3-500kg/m3）、高比表面积（200-1000m2/g）和高孔隙率（孔隙率高达％，孔洞典型尺寸为1-100nm），从而表现出独特的光学、热学、声学及电学性能[1]，具有广阔的应用前景。气凝胶主要包括无机气凝胶、有机气凝胶及炭气凝胶。
1. 气凝胶的性质及其应用
由于气凝胶是具有纳米结构的多孔材料，在力学、声学、热学、电学、光学方面有许多独特的性质，如具有低折射率、低声阻抗，具有极大的比表面积、低杨氏模量，对光、声的散射比传统材料小的多，这些性质使气凝胶不仅在基础研究中得到重视，而且在许多领域内有广泛的应用前景。
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，自相似结构持续到尺度ξ（约为100nm），在ξ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ξ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ρ
ξ
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ρ之间关系都满足标度定律，可分别表示如下：C＝kρn，Y＝kρm，其中标度参量n﹑m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=ρC,可变范围很大，进而可以通过控制ρ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[8]。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3-5μm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，TiO
2
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Al
2O
3
气凝胶则可耐2000℃的高温，在作为高温隔热材料方面，有着无比的优
越性。
电学性能方面，气凝胶的介电常数ε与质量密度ρ之间有近似的线性关系，如MF气凝胶ε-1＝
×10-3ρ，RF气凝胶有ε-1=×10-3ρ。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σ一般在10-40s/cm，因此可以用来制造高效高能底可充电电池。这种电池实际上是一种高功率密度，高能量密度的双层电化学电容器。同时由于炭气凝胶巨大的比表面积，连续且导电的三维网络状结构，目前比电容量已经达到105F/kg。
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e＝
0.1m2/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。气凝胶还是折射率可调的材料，通过调节密度ρ可方便调节折射率n，一般n满足：n＝1+×10－4ρ/kg·m-3。
催化剂及其载体方面[4]，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有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。有机气凝胶由原子系数较低的轻原子量元素组成，密度低且孔结构分布均匀，同时对液态氘、氚具有良好的吸附性能，为惯性约束聚变实验研制高增益靶提供了一个很好的途径。
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SiO
2气凝胶、聚酰亚胺和镀铝层(SiO
2
/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。
2 气凝胶的制备
气凝胶的制备一般经过溶胶-凝胶法制备湿凝胶和凝胶的干燥两个过程。
溶胶-凝胶过程
溶胶-凝胶过程可描述如下：反应物溶液中首先生成初次粒子，粒子长大形成溶胶，粒子继续聚集交联成三维网络结构即得到凝胶。制备气凝胶的溶胶-凝胶工艺一般有三种实现方法：（1）金属醇盐或金属硝酸盐、盐酸盐等前驱体经由水解和缩聚形成凝胶
（2）溶液中单一聚合物单体聚合或几种聚合物单体共聚形成凝胶
（3）胶体粉末溶胶的凝胶化。
下面按无机气凝胶和有机气凝胶及其炭化得到的炭气凝胶两部分分别叙述。
2.1.1 无机气凝胶的合成
无机气凝胶一般选用金属有机物或金属盐作为原料，利用溶胶-凝胶过程在溶液内先形成溶胶粒子，粒子之间相互团聚、交联形成三维无序、枝状连续网络状骨架结构，溶剂被包裹于骨架之间，随后采用超临界干燥工艺去除凝胶体内残余溶剂即可制得具有纳米量级连续多孔无序网络结构的低密度
非晶固态材料。目前制备出的无机气凝胶有几十种之多，其中一元氧化物气凝胶有SiO
2、Al
2
O
3
、TiO
2
、
MgO、Cr
2O
3
等; 双元氧化物气凝胶有Al
2
O
3
/SiO
2
、B
2
O
3
/SiO
2
、Fe
2
O
3
/SiO
2
、Lu
2
O
3
/Al
2
O
3
、CuO/Al
2
O
3
等；三元
氧化物气凝胶有CuO/ZnO/ZrO
2、MgO/Al
2
O
3
/SiO
2
等；金属气凝胶有Cu/Al
2
O
3
、Ni/Al
2
O
3
、Pd/Al
2
O
3
等。
这里我们选用SiO
2
气凝胶[5]为例具体介绍无机气凝胶的制备过程。制备硅气凝胶的第一步是在TMOS （硅酸甲酯）或TEOS（硅酸乙酯）等有机硅原料中加入溶剂，适量水及催化剂使之发生水解反应：
Si(OR)
4 + H
2
O →Si(OR)
3
OH + ROH (1-1)
式中R为烷基，
水解后生成的硅酸再脱水缩聚，即
2Si(OH)
4→(OH)
3
Si-O-Si(OH)
3
+H
2
O (1-2)
生成以硅氧键为主要结合方式的的聚合物颗粒，颗粒之间再通过表面基团之间的反应相互结合，形成链状结构，最后这些链结构相互交缠，堆积等效应形成网络状结构完成凝胶化过程。水解和缩聚反应均分别在酸碱催化下完成，其反应速率是控制凝胶结构的重要因素。水解速率随溶液的酸性或碱性的加强而加快，接近中性时水解最慢，而缩聚速率则在中性或碱性条件下较快。一般pH值大于时，缩聚形成的硅氧键还会被再次打断，凝胶结构也会被破坏。在酸性条件下由于水解速率较快，体系中存在大量硅酸单体，有利于在成核反应形成较多的核，但由于其尺寸都较小，硅酸单体的慢缩聚反应将形成聚合物状的硅氧键，最终得到弱交联低密度网络的凝胶；而在碱性条件下，硅酸单体水解后迅速缩聚，单体浓度较低，不利于成核反应而有利于交联反应，最终形成相对致密的具有珍珠串式结构的胶质颗粒，即胶粒状凝胶；在强碱性条件下，硅氧键水解的程度增加，导致SiO
2
的溶解度增加，使最终形成的凝胶受热力学控制影响，形成由表面微球构成的胶粒聚集体。
凝胶形成后并不意味着溶胶-凝胶过程已经结束，已形成的凝胶还将继续老化，溶液中溶胶粒子和小凝胶团簇仍将继续和骨架上的悬挂基团反应、交联，形成整个凝胶网络。
2.1.2 有机气凝胶及炭气凝胶的合成[2] [3]
自20世纪80年代末Pekala等以间苯二酚和甲醛为原料首次成功合成了间苯二酚-甲醛（RF）有机气凝胶以来，近年来又相继制备出许多其它的有机气凝胶，如：由三聚氰胺和甲醛合成三聚氰胺－甲醛（MF）气凝胶；由线性酚醛树脂和糠醛合成出的酚醛树脂－糠醛（PF）气凝胶。有机气凝胶制备过程与无机气凝胶的制备过程相似，采用有机物单体或低聚体溶于溶剂中经过化学反应，生成链状或无序枝状网络结构，最后经溶胶-凝胶过程实现凝胶化，溶剂置换后，再经超临界干燥除去溶剂得到干燥后的气凝胶。下面即简单介绍研究最多的MF和RF气凝胶的制备方法。
（1）RF湿凝胶的合成
RF气凝胶的制备过程如图1-1所示，由间苯二酚（R）和甲醛（F）经溶胶-凝胶过程聚合得到湿凝胶。
RF气凝胶由间苯二酚和甲醛为前躯体，二者按1:2物质的量比混合并加入适量去离子水配成溶液，
同时加入适量的碱，如Na
2CO
3
、Ca(OH)
2
等为催化剂进行亲电取代反应。由于亲电取代反应较为迅速，同
时又有催化剂的残余，从而在反应初期即生成大量羟甲基取代物，这些羟甲基取代物通过相互之间的脱水缩聚成粒径为3-10nm的聚合簇。此类聚合簇表面仍存在大量的官能团，在进一步的反应中，聚合簇之间通过表面官能团进行进一步缩和，形成三维网络状体结构，即完成凝胶化过程，但是此时的凝胶无论在表观的凝胶强度，还是其内部交联程度上都较为弱，从而在凝胶形成后必须对凝胶进行老化
COOH），或者是直接将凝胶静处理，通常即为在凝胶中加入老化剂，有机类的老化剂如三氟乙酸（CF
3
置一段时间使其自然老化。在老化过程中骨架上的表面官能团将进一步交联，对已经形成网状体结构起结构增强作用，最终形成RF湿凝胶。过程中涉及的反应有：间苯二酚与甲醛反应形成单元或多元羟甲基间苯二酚；羟甲基间苯二酚径脱水缩合形成以亚甲基桥或亚甲基醚桥为连接的聚合簇；聚合簇之间通过表面官能团之间的反应，相互交联或者物理缠绕形成三维网络状体结构。
图1 RF凝胶形成过程示意图
RF湿凝胶形成后，通过溶剂交换置换出凝胶孔内的水和未参加反应的低分子量物质，最后经超临界干燥制得气凝胶。
（2）MF湿凝胶的制备
MF湿凝胶由三聚氰胺（M）与甲醛（F）缩聚而成，可通过两种途径合成：
A）单体途径：三聚氰胺与甲醛以1:的物质的量比混合，加入去离子水作为反应溶剂，同时控制反应物含量，以求得到不同密度的湿凝胶，其间加入适量的碱作为初始反应催化剂，混合液被加热使三聚氰胺完全溶解，冷却至室温后再加入盐酸调节pH值，密闭后加热反应一定时间即可得到MF湿凝胶。
B）齐聚体途径：被甲醛部分羟甲基化的三聚氰胺低分子量缩合物用适量去离子水稀释，用盐酸调节pH值范围内，于50℃下加热1d，然后再于95℃下加热5d，即可得到MF湿凝胶，然后经溶剂置换处理得到体系内不含水的MF湿凝胶。
图2 MF湿凝胶形成示意图
如图2所示为单体途径的凝胶化反应过程，MF湿凝胶形成过程中，先是甲醛与三聚氰胺中三个氨基形成羟甲基取代物，酸化过程促进其进一步缩合，形成二氨基亚甲基桥和二氨基亚甲基醚桥，最终交联成三维网络状结构，完成凝胶化过程。
（3）炭气凝胶的制备[6]
将干燥好的有机气凝胶进行炭化即制得炭气凝胶。其制备一般分为三个步骤：有机气凝胶湿凝胶的制备、超临界干燥和炭化。其中有机气凝胶湿凝胶的形成可以得到具有三维空间网状结构的凝胶体；超临界干燥可以在维持凝胶的结构同时除去孔隙内的溶剂；炭化使干燥后的凝胶在保持了有机凝胶的结构的基础上，使得碳元素成为组成气凝胶骨架结构的主要成分，并且具有一定导电性能，增加了气凝胶的应用范围。
凝胶的干燥
湿凝胶的干燥是制备气凝胶至关重要同时又较为困难的一步。这是制备气凝胶的最终步骤，是在零表面张力条件下将湿凝胶中的液体组分抽提掉的过程，以避免由于在常规条件下干燥时由表面张力作用引起的凝胶干燥过程中体系的收缩和结构的崩塌。气凝胶具有极低的密度、极高的孔隙率，其体系本身所具有的结构强度就不是很强，所以在采用普通干燥法如常温干燥、烘烤干燥等时，会由于存在气体和液体二相界面及表面张力等很容易使凝胶骨架发生坍塌收缩。为了最大限度的减少凝胶在干燥过程中的基本网络结构坍塌收缩，以获得与湿凝胶骨架结构相似的气凝胶，科学家们提出了几种可行的措施：冷冻干燥法、凝胶改性后再进行常规干燥及超临界干燥法等。虽然这些方法均能降低干燥过程中由于表面张力作用而引起的骨架收缩，但真正能实现零表面张力的还是超临界干燥法。目前广泛采用的是超临界流体干燥技术。
2.2.1 超临界流体干燥[7]
表1 部分化合物的临界参数
物质沸点(℃)临界温度(℃)临界压力(MPa)
CO
2
H
2
O100374
CH
3
OH239
C 2H
5
OH243
正丙醇263
异丙醇235
超临界流体干燥技术是近年来发展起来的化工新技术，是目前制备各种气凝胶最常用的方法。超临界流体是一种温度、压力均处于临界点以上的，无气液界面区别同时又有具液体和气体性质的物质相态，其具有的特殊的溶解度，易变的密度以及较高的物质交换速率，使得其作为溶剂及干燥介质方面体出优越的价值。该技术的关键在于温度及压力控制以及控制适当的干燥速率，常用的干燥介质有
甲醇、乙醇、二氧化碳等，通常情况下都采用超临界二氧化碳干燥。最早则是1931年Kistler使用超临界流体干燥技术进行SiO
2
凝胶的干燥，在不破坏凝胶网络结构的基础上，除去凝胶骨架空隙中的溶剂，使得其产物具有很高的比表面积和极低的密度，并预言了其在未来具有极强潜在应用价值。但是在试验之初，科学家均选用乙醇等有机溶剂进行超临界干燥，此类有机有机溶剂需要较为苛刻的条件下才能达到临界点，如表1所示：
典型的超临界流体干燥装备如图3所示。
图3 典型的超临界流体干燥装制图
3 气凝胶的结构控制及表征
气凝胶的结构控制
3.1.1 无机气凝胶的结构控制
无机气凝胶通常以SiO
2
气凝胶为代表，这里我们以其为例来说明其结构的调控。由于湿凝胶的制备主要通过溶胶－凝胶过程实现，而在这一过程中催化剂浓度是影响气凝胶结构的重要因素。所以制备硅气凝胶一一定要掌握好反应过程中催化剂的浓度。
3.1.2 有机气凝胶及炭气凝胶
有机气凝胶及炭气凝胶在力学、声学、电学、光学、热学等方面的独特性能，归根结底是在于其具有独特的纳米网络结构。而催化剂浓度、反应物浓度及配比、溶剂的选择、反应温度控制及老化作用等都是影响其结构的因素。
（1）反应物总浓度及反应物配比的影响
由于一般的有机气凝胶，以MF，RF为例，一般采用水作为其反应溶剂，反应物总浓度即反应物含量与水的比值（R/W）对气凝胶的密度影响显著，并最终可通过控制R/W以达到控制有机气凝胶的密度。（2）催化剂种类及其浓度的影响
催化剂浓度（R/C即反应物含量与催化剂的比值）对有机气凝胶结构及性质有重大的影响。一般随
催化剂浓度增大，气凝胶的S
BET 先增大后减小，S
BET
的最大值取决于基元颗粒尺寸变小与超临界干燥收缩
两种因素的平衡。同时有机气凝胶的V
mes
亦随催化剂浓度增加而先增大后减小。
（3）老化参数的影响
凝胶形成之后，在其孔内液体环境下，结构和性质进一步变化的过程称为老化。老化过程中凝胶将发生收缩、粗化，老化过程越彻底，则凝胶干燥过程收缩率越小。
除了上面提到的影响因素外，还有如温度、溶剂的选择、反应时间、超临界干燥工艺控制等其它因素都会影响到气凝胶的结构和密度，在这里将不作赘述。
结构表征
用于气凝胶结构研究的表征方法大致如表2中所示。IR、NMR等是表征气凝胶化学结构的有效手段，可通过气凝胶骨架中各官能团特征峰的存在位置获得反应前驱物以何种方式结合。
表1-2 气凝胶结构表征方法
测量方法或装置所显示的结构特征备注/问题
N 2吸附－解吸附（BET）
比表面积1) 所分析的孔径大小有下
限（能允许N2进入）
2) 孔径的大小会由于测量
时N2压力变换引起孔结构
的变化而产生偏差
孔径分布
吸附－解吸附交互作用
氦比重仪骨架密度
压汞仪孔体积
电子显微镜微观孔结构
粒径
高能电子束会对材料材
料结构产生影响造成测
量偏差
扫描电子显微镜（SEM）
透射电子显微镜（TEM）
小角X光散射（SAXS）粒径与团簇大小分布散射矢量与结构维数程比
小角中子散射（SANS）比表面积
红外光谱（IR）从反应前驱体到凝胶的
化学结构变化
核磁共振（NMR）
原子力显微镜（AFM）气凝胶表面结构
4 发展与展望
由于气凝胶独特的纳米网络结构、优良化学结构稳定性；良好的光学性能；较好的机械力学性能等特征以及诱人的应用前景，使得它自问世以来便成为人们关注和研究的重点。虽然近年来研究气凝胶的文章并不多，但是气凝胶制备及结构与性能关系研究已取得了很大进展，但其制备和表征方法、性能研究及应用方面的论文和专利并不多。良好的性能与应用则迫切需要新的制备方法和结构表征手段。与传统的无机气凝胶相比，有机气凝胶具有许多优异的性能和更加广阔的应用前景，但总体上来说，有机气凝胶的研究与无机气凝胶相比还处于初级阶段，许多规律和应用价值，如网络结构的形成与控制规律、催化剂负载、贮氢性能等还有待于人们进一步探索和开拓。
5 参考文献
1.气凝胶研究进展秦国彤，门薇薇，魏年4月北京航空航天大学材料科学与工程学院环境
工程系，北京
2.有机气凝胶研究进展(I)——有机气凝胶发现、制备与分析孕冀辉，胡劲松2001年9月
3.有机气凝胶研究进展(Ⅱ)——有机气凝胶的特性与应用李冀辉，胡劲松 2001年12月
4. 气凝胶制备进展及其在催化方面的应用武志刚，赵永祥，许临萍，刘滇生 (山西大学化学化工学院，山西太原030006) 2002年12月
5.二氧化硅气凝胶的制备和应用研究同小刚，王芬，冯海涛，安世武 2006年5月
6.炭气凝胶的制备、性能及应用李文翠，陆安慧，郭树才 2001年
7.超临界干燥技术胡惠康, 甘礼华, 李光明, 沙海祥, 陈龙武 2000年
8. 纳米孔超级绝热材料气凝胶的制备与热学特性沈军, 周斌, 吴广明, 邓忠生, 倪星元, 王珏2002年8月
9.气凝胶—一种结构可控的新型材料同济大学沈军王钰吴翔 1994年
气凝胶(应用)
世界上第一个气凝胶产品是1931年制备出的。当时，美国加州太平洋大学(College?of?the?Pacific)的Steven.S.?Kistler提出要证明一种具有相同尺寸的连续网络结构的固体“凝胶”，其形状与湿凝胶一致。证明这种设想的简单方法，是从湿凝胶中驱除液体而不破坏固体形状。如按照通常的技术路线，很难做到这一点。如果只是简单地让湿凝胶干燥，凝胶将会收缩，常常是原来的形状破坏，破裂成小碎片。也就是说，这种收缩经常是伴随着凝胶的严重破裂。Kistler推测:凝胶的固体构成是多微孔的，液体蒸发时的液一气界面存在较大的表面张力，该表面张力使孔道坍塌。此后，Kistler发现了气凝胶制备的关键技术(Kistler,??1932)。?????Kistler研究的第一个凝胶是通过硅酸钠的酸性溶液浓缩制备的SiOZ凝胶。然而，他试图通过把凝胶中的水转变成超临界流体的方式来制备气凝胶却没有成功。Kistler再尝试首先用水充分洗涤二氧化硅凝胶(从凝胶中去掉盐)，然后用乙醇交换水，通过把乙醇变成超临界流体并使它跑掉，第一个真正的气凝胶形成了。Kistler的气凝胶与现在制备的二氧化硅气凝胶类似，是具有相当大的理论研究价值的透明、低密度、多孔材料。在之后的几年时间里，Kistler详尽地表征了他的二氧化硅气凝胶的特性，并制备了许多有研究价值的其它物质的气凝胶材料，包括:A1203?,?W03?,?Fe203?,?Sn02、酒石酸镍、纤维素、纤维素硝酸盐、?明胶、琼脂、蛋白、橡胶等气凝胶。? 后来，Kistler离开了太平洋大学，到Monsanto公司供职。Monsanto公司很快就开始生产商品化的气凝胶产品，Monsanto公司的产品是粒状的Si02材料，虽然其生产工艺无人知晓，但人们推断应当是Kistler的方法。Monsanto公司的气凝胶当时是被用来作化妆品及牙膏中的添加剂或触变剂。在以后的近30年中，有关气凝胶的研究几乎没有什么进展。直到20世纪60年代，随着价格便宜的“烟雾状的(fumed)”Si02的研制开发，气凝胶的市场开始萎缩，Monsant。公司停止了气凝胶的生产。? 从此，气凝胶在很大程度上被人淡忘了。直到20世纪70年代后期，法国政府向Claud?Bernard大学的Teichner教授寻求一种能储存氧气及火箭燃料的多孔材料。之后所发生的事情，在从事气凝胶研究的人员中有一种传说。Teichner让他的一个研究生来制备气凝胶并研究其应用，然而，使用Kistler的方法，包括两个耗时、费力的溶剂萃取步骤，他们的第一个气凝胶花了数周时间才制备出来。然后，Teichner告诉这个学生，要完成他的学位论文，将需要大量的气凝胶样品;该学生意识到，如按照Kistler的方法制备，这要花许多年才能完成，他精神崩溃地离开了Teichner的实验室;经过一段短暂地休息、思考，他又回到了实验室，有一种强烈的动机，激发他去寻找一种更好的Si02气凝胶的合成工艺。经过不懈地努力探索，该学生成功地应用溶胶一凝胶化学法制备出Si02气凝胶，这使气凝胶科学研究前进了一大步。这种方法用正硅酸甲酷(TMOS)代替Kistler所使用的硅酸钠，在甲醇溶液中通过TMOS水解一步产生凝胶(称为“醇凝胶”)，这消除了Kistler方法中的两个缺点，即醇水替换步骤及凝胶中存在无机盐，在超临界甲醇条件下干燥这些醇凝胶，就制备出高质量的Si02气凝胶。后来，Teichner的研究组及其他人使这种方法扩展，制备了多种金属氧化物气凝胶产品。?
推广应用关键技术和创新技术
4．项目推广应用的关键技术和创新技术 4.1 幕墙工程综合技术的应用 4.1.1 钢拉索点式幕墙技术 本工程在建筑物主入口处应用的拉索（鱼腹式）点式玻璃幕墙将传统的幕墙钢、铝龙骨结构转化成柔性的钢丝索结构，安装后钢索呈鱼腹状造型，给人以一种轻盈、通透的整体美感。（如图一）其特有的柔性结构使整个玻璃幕墙 进口密封硅酮胶；不锈 钢钢索、五金爪件、连接螺栓均采用进口。生根点的钢件全部采用进口高强化 件均采用高强螺 用配套的调整垫 度大大提高了工 图二拉索点式玻璃幕墙系统分格形式 焊接变形、焊口缺陷以 及防腐处理等难题，大
大提高了工作效率。 4.1.2 可开启移动天幕综合技术 本工程可开启移动天幕为目前亚洲最大的可开启天幕，跨度为15.3M，开启方向长度为50M。采用折叠对开式结构形式，由六块移动天幕组成，每块移动天幕尺寸为8.4mX16.4mX0.5m。（如图一） 可开启移动天幕主要选材为：所有铝合金型材均为6063 T5合金挤压成型，并满足国家GB5237的超高精级要求，铝合金型材表面采用氟化碳处理；采用透明中空夹胶钢化玻璃，规格为8mm+12mm+6mm(Low- E)+1.52mm(PVB)+6mm；密封胶条采用国产EPDM材料，密封硅酮胶采用进口； 移动天幕电气控制系统采用进口，包括电机、风和雨传感器、限位开关、电气线路等；移动钢结构体系采用进口比利时“Portal”公司制造，表面进行静电喷涂处理，轨道及其固定钢结构采用国产；遮阳布幔采用进口布料，国产微型电机, 遮阳格栅采用铝合金型材加工成型。 可开启移动天幕的结构特点
4.1.2．1铝合金玻璃天幕系统为明框热断桥结构，采用内置排水系统 （如图二），该结构体是采用EPDM胶条和防水卷材进行结构密封，而不使用国内通常的硅酮胶密封形式，该种结构形式能够保证防雨水密封性能、防止结露、隔热保温等性能要求。 图二：铝合金玻璃密封结构系统 4.1.2．2移动天幕全部采用弧形结构，包括钢结构体系、铝合金型材、玻璃、密封元件等均为弧形的结构（如图三）。 图三：钢结构、铝合金结构弧形系
气凝胶原理及市场
气凝胶原理及市场 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
气凝胶市场调研报告 一、概述 二氧化硅气凝胶是一种合成的无定形硅胶，与结晶硅胶显着不同。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。 两种不同气凝胶产品的扫描电子显微镜（SEM）图像显示，气凝胶存在无定形特性。粉末X光衍射没有发现可测量的结晶成分。在超过1200℃（显着高于气凝胶材料的最高使用温度）时，气凝胶会转换为结晶相。 二氧化硅气凝胶又被称作“蓝烟”、“固体烟”，是目前已知的最轻的固体材料，也是迄今为止保温性能最好的材料。因其具有纳米多孔结构（1~100nm）、低密度（3~250kg/m3）、低介电常数（~）、低导热系数（~(m·k)）、高孔隙率（80~%）、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”。 气凝胶于1931年在美国发明。目前气凝胶全球重点发展区域主要集中在美国、德国、英国，其中，依托强大的技术开发实力和新产品开发力度，美国的应用领域尤为突出和领先。在高性能气凝胶应用方面，美国已经成功应用于航空航天、新能源、建筑以及高级体育用品等方面。我国在气凝胶研究和开发方面尚属早期阶段，主要集中在附加值较高的航空航天、医药等方面，众多领域仍属空白。目前国际上关于气凝胶材料的研究工作主要集中在德国的维尔茨堡大学、BASF公司、美国的劳伦兹·利物莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室，法国的蒙彼利埃材料研究中心，日本高能物理国家实验室，美国阿斯彭气凝胶技术有限公司等。国内主要集中在同济大学波尔固体物理实验室、浙江省绍兴市纳诺高科股份有限公司、广东埃力生高新科技有限公司、上海美桥科材料科技有限公司等。 二、基本特性
气凝胶的市场规模和前景分析
气凝胶的市场规模和前景分析 气凝胶是世界上密度最小、孔径为纳米量级的固体，种类繁多，主要有硅系、碳系、硫系、金属氧化物系、金属系等。被称为“冷冻烟雾”。 据纽约消息报道，https://www.360docs.net/doc/a814083515.html,宣布发布其最近完成的研究报告，题为“全球气凝胶市场的应用、形态、种类、工艺类型和地区——全球至2026年的预测”，通过对涵盖目标市场各个方面的详细划分，提供了对全球气凝胶市场的整体观点。报告称，2016年全球气凝胶市场价值为5.129亿美元，在2017-2026年复合年增长率31.8%的情况下，预计2026年全球气凝胶市场价值将达到80.837亿美元。 而气凝胶在国内市场起步较晚，前期主要是国外气凝胶产品在销售，价格较昂贵，市场推广力度也较小，近年来随着国内气凝胶企业逐步增多，实力不断增强，成本不断下降，规模不断扩大，再得益于国内节能减排政策推行和经济体量的迅速扩大，气凝胶行业驶入了快速发展通道。 1.中国气凝胶的供给情况 2008—2016年中国气凝胶产量情况
（单位：万吨） 2008—2016年中国气凝胶消费情况 （单位：万吨） 随着气凝胶工艺成本的降低和产业规模的不断扩大，一些新兴应用不断开发出来，气凝胶市场日益成熟。预计到2022年我国气凝胶产量预计达到2.32万吨，消费量为5.16万吨。
2017年—2020年中国气凝胶产量、消费量预测 （单位：万吨） 2气凝胶的中国市场 中国作为新兴经济体，在市场增长方面将会以快于国际平均水平的速度迅速增加，未来几年将进入快速增长阶段。关于气凝胶的一些新兴应用不断被开发出来，比如用于日用保温产品的气凝胶布，可用于帐篷、防寒服、消防服、冲锋衣化学服等，已经用于电子新能源电池等热源绝热的气凝胶纸等产品，气凝胶的市场将会日益成熟并不断扩大。 气凝胶市场规模及预测（单位：亿元) 中国气凝胶市场应用 未来中国的气凝胶主要用于建筑节能和石油石化，交通运输，电力工业等领域。预计到2019年，中国气凝胶约有30%用于建筑节能领域，25%用于石油石化领域。
气凝胶项目申请报告
气凝胶项目 申请报告 一、项目建设背景 （一）持续扩大有效投资 继续发挥投资对增长的关键作用，注重优化投资结构，以重点项 目为牵引，加大基础设施、生态保护、基本公共服务、产业升级、新 型城镇化等领域的投入，带动产业供给侧结构性改革，大幅增强省内 投资品的供给能力，着力解决我省投资率高、但综合投资拉动效应不 够的问题，形成对经济可持续增长的有力支撑。积极争取国家支持， 整合利用好地方财政资金，更好发挥政府投资的杠杆撬动作用，完善 基础设施等投融资平台功能，组建旅游、扶贫等若干专业化投融资平台，继续以市场化方式筹集专项建设基金。更好发挥民间投资的作用，探索基础设施等实物资产证券化，发展各类投资公司和产业基金，鼓 励股权众筹、风险投资、天使投资等发展。推进债券品种创新，扩大 各类中小企业债券融资规模。推广政府和社会资本合作（PPP）模式， 切实落实在财政、金融、税收等方面支持民间投资健康发展的政策，
加快推进民间资本、金融资本与政府投资的有效合作。研究建立银行、证券、保险和各类社会资本的合作对接机制。 （二）着力扩大消费规模 提高有效供给能力，通过创造新供给、提高供给质量，扩大消费 需求。加快消费结构升级，优化消费环境，积极培育新型消费、扩大 传统消费，发展新的消费模式，形成消费和供给良性互动、需求升级 和产业升级协同共进的格局。着力抓好本地消费品的生产和销售，提 高质量和市场占有率。认真落实鼓励消费的各项政策，加快消费性服 务业发展。增加中高端教育、医疗、文化、体育等服务供给。引导汽 车等大宗消费，落实小排量汽车、新能源汽车税收优惠政策。积极培 育网络购物、绿色出行、社会养老、医疗保健等新兴消费热点和消费 方式，提升消费层次，引导消费向智能、绿色、健康、安全方向转变。加强市场价格监管，保持投资品和消费品价格总水平基本稳定。 （三）促进出口稳定增长 实施优进优出战略，优化品种结构和市场结构，扩大新能源、新 材料、特色轻工、农畜加工和文化产品出口规模，增加出口产品的科 技含量和附加值，培育以技术、标准、品牌、质量、服务为核心的对 外经济新优势，提高特色优势产品竞争力和国际市场占有率，推进能
国内外气凝胶产品企业简介
国内外气凝胶产品企业简介 December24,2012 By:Ephone 一、国外企业 01.阿斯彭气凝胶公司 阿斯彭气凝胶公司是美国航空航天管理局下属的一家公司，该公司一直致力于把气凝胶推向市场。 阿斯彭气凝胶公司（AspenAerogels）目前主要业务是应用气凝胶制造工业用隔热材料，这家企业已经开始销售充气气凝胶垫，这种气凝胶垫能够让现有的建筑更节能。在英国和美国部分地区，阿斯彭气凝胶公司已经安装了这种材料，包括2008年在美国罗德岛的建筑项目。 气凝胶由抽取了液态物质的凝胶制成，其中有90%以上的物质为空气。气凝胶 具有的纳米多孔结构使得热量很难穿透其中。这样一来，气凝胶是一种很好的轻质隔热材料。出于成本考虑，阿斯彭气凝胶公司过去主要将这种材料的发展重点放在高端工业应用项目上，比如隔热油与天然气管道应用，甚至火星飞船上。 不过现在，阿斯彭气凝胶公司开始提供超薄气凝胶垫，它可以替代传统的玻璃纤维，泡沫材料以及纤维隔热材料。阿斯彭气凝胶公司现在所开发设计生产的气凝胶的前期成本仍然比较高，但这种材料的成本已经降到一个民用可以承担的价格点，尤其适合用于砖石或拱形墙的建造。 早在2008年阿斯彭气凝胶公司在北美开设了第二家生产厂，未来阿斯彭气凝胶公司完全有能力，有成本优势进军传统的建筑隔热市场。 网址： 02.卡博特公司 有120年历史的美国卡博特公司，是一家专业生产特殊化工产品和特种化工材 料的全球性跨国公司，在世界五大洲23个国家有39家生产企业，其经营范围 包括炭黑、气相白炭黑、喷墨颜料、微电子材料、纳米胶、塑料色母粒以及特殊流体等。全球雇员约4200名，在美国有多个研究中心及实验工厂，其生产技术、产品品种和质量均居于世界领先水平。在美国公司年度排名中（只考虑财务状况），
功能性高分子-气凝胶
气凝胶 ── 一种结构可控的新型功能材料 摘要:气凝胶是一种结构可控的新型轻质纳米多孔性非晶固态材料，由于它特有的纳米多孔、三维网络结构，气凝胶具有许多独特的性能，尤其表现在高孔隙率、低密度、低热导率等方面，研究领域广泛,因而蕴藏着广阔的应用前景。 关键词：气凝胶；性质；研究领域；应用；结构控制 气凝胶简介： 气凝胶是世界上已知密度最低的人造发泡物质,是一种固体物质形态，世界上密度最小的固体之一。 气凝胶问世于1931年，由斯坦福大学S.S.Kistler 利用临界干燥法将凝胶里的液体成分抽出。这种方法会令液体缓慢地被脱出，但不至于使凝胶里的固体结构因为伴随的毛细作用被挤压破碎。气凝胶的种类很多，有硅系，碳系，硫系，金属氧化物系，金属系等。用途广泛。一般常见的气凝胶为硅气凝胶，但也有碳气凝胶存在。目前最轻的气凝胶是由浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出的一种超轻气凝胶。它刷新了目前世界上最轻材料的纪录，拥有高弹性和强吸油能力。这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度为每立方厘米0.16毫克，仅是空气密度的1/6。气凝胶因其半透明的色彩和超轻重量，有时也被称为“固态烟”或“冻住的烟”。这种新材料看似脆弱不堪，其实非常坚固耐用，最高能承受1400摄氏度的高温。它可以承受相当于自身质量几千倍的压力，此外它的导热性和折射率也很低，绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。 硅气凝胶结构的形成: 硅气凝胶是典型的无机气凝胶之一,制备硅气凝胶的第一步是在TMOS(硅酸甲酯)或TEOS(硅酸乙酯)等有机硅中加入适量水和催化剂,使之发生水解反应 )1()(4)(424ROH OH S O H OR Si i +→+ 式中R 为烷基,水解生成的硅酸再脱水缩聚,即 O H OH OS S OH H S i i i 234)()()0(2+→(2)
气凝胶应用
气凝胶应用Last revision on 21 December 2020
世界上第一个气凝胶产品是1931年制备出的。当时，美国加州太平洋大学(CollegeofthePacific)的.Kistler提出要证明一种具有相同尺寸的连续网络结构的固体“凝胶”，其形状与湿凝胶一致。证明这种设想的简单方法，是从湿凝胶中驱除液体而不破坏固体形状。如按照通常的技术路线，很难做到这一点。如果只是简单地让湿凝胶干燥，凝胶将会收缩，常常是原来的形状破坏，破裂成小碎片。也就是说，这种收缩经常是伴随着凝胶的严重破裂。Kistler推测:凝胶的固体构成是多微孔的，液体蒸发时的液一气界面存在较大的表面张力，该表面张力使孔道坍塌。此后，Kistler发现了气凝胶制备的关键技术(Kistler,1932)。Kistler研究的第一个凝胶是通过硅酸钠的酸性溶液浓缩制备的SiOZ凝胶。然而，他试图通过把凝胶中的水转变成超临界流体的方式来制备气凝胶却没有成功。Kistler再尝试首先用水充分洗涤二氧化硅凝胶(从凝胶中去掉盐)，然后用乙醇交换水，通过把乙醇变成超临界流体并使它跑掉，第一个真正的气凝胶形成了。Kistler的气凝胶与现在制备的二氧化硅气凝胶类似，是具有相当大的理论研究价值的透明、低密度、多孔材料。在之后的几年时间里，Kistler详尽地表征了他的二氧化硅气凝胶的特性，并制备了许多有研究价值的其它物质的气凝胶材料，包 括:A1203,W03,Fe203,Sn02、酒石酸镍、纤维素、纤维素硝酸盐、明胶、琼脂、蛋白、橡胶等气凝胶。 后来，Kistler离开了太平洋大学，到Monsanto公司供职。Monsanto公司很快就开始生产商品化的气凝胶产品，Monsanto公司的产品是粒状的Si02材料，虽然其生产工艺无人知晓，但人们推断应当是Kistler的方法。Monsanto公司的气凝胶当时是被用来作化妆品及牙膏中的添加剂或触变剂。在以后的近30年中，有关气凝胶的研究几乎没有什么进展。直到20世纪60年代，随着价格便宜的“烟雾状的(fumed)”Si02的研制开发，气凝胶的市场开始萎缩，Monsant。公司停止了气凝胶的生产。
高等级生物安全防护关键技术及系列装备创新研发与应用
高等级生物安全防护关键技术及系列装备创新研发与应用 祁建城吴金辉张宗兴胡名玺衣颖郝丽梅常宗湧王涛张恩雷谢新武田丰林松 项目简介 高等级生物安全防护技术与装备是高致病性病原微生物的物理防护屏障，属于生物医学工程领域。 本项目围绕我国生物安全和传染病防控领域的重大需求，在5项国家重大课题的支持下，突破了病原微生物设备、设施防护屏障，高效环保型消毒新技术，传染病员隔离转运等4类系列关键技术，创新研发了18种新装备，构建了我国高等级生物安全防护技术与装备体系，打破了西方发达国家的技术封锁和产品垄断，为实现我国生物安全与烈性传染病防控自主可控提供了有力支撑。 1) 攻克了功能性防护材料、正压防护等关键技术，研发了正压生物防护服等新产品5种，构建了我国生物安全设备防护屏障技术与装备体系； 2）突破了设施气密防护、高效空气过滤器原位检漏与消毒等关键技术，研发了生物安全型高效空气过滤装置等新产品7种，构建了我国生物安全设施防护屏障技术与装备体系； 3）发明了现场制备高纯气体二氧化氯新方法，提出了新型气体二氧化氯消毒动力学模型及多因素预测模型，研发了2种国际领先的便携式气体二氧化氯消毒机，引领了国家生物安全领域消毒技术进步； 4）攻克了负压隔离、微环境控制等技术，研发了2种烈性传染病员隔离转运装备，填补了我国烈性传染病员安全隔离转运技术与装备的空白。 获发明专利12项，实用新型专利27项，中国专利优秀奖1项，天津市专利金奖1项，国家重点新产品1项，II类医疗器械注册证2项，中国民用航空局重要改装设计批准书1项；发表论文53篇，主编国军标等各类标准4项。经鉴定，成果达到国际先进水平。 本成果共计3900余套装备应用于我国生物安全与重大传染病防控领域，包括国内85%的生物安全三级实验室和2家生物安全四级实验室，有力地支持了国家重大生物安全科研平台建设，在“援非抗埃”、天津达沃斯论坛等重大烈性传染病防控及国家重大活动生物安全保障中发挥了重要作用。成果实现产值1.1亿元，推动了天津市相关企业产业技术升级，有力地推动了行业技术进步，产生了显著的经济效益和社会效益。
国内气凝胶行业公司一览
国内气凝胶行业公司一览 为方便气凝胶从业者找到合适的工作，气凝胶信息论坛特整理了国内气凝胶行业的企事业单位名单，此名单会一直更新下去，欢迎大家提供资料。（以下排名不分先后哦） 01.东莞市创一新材料科技有限公司 行业：新能源及节能技术 生产产品与服务：透明绝热气凝胶材料，平板太阳能集热器 地址：广东省东莞市松山湖高新区创新科技园8栋4楼 02.纳诺高科股份有限公司 纳诺高科的母公司是具有强大建筑业背景的浙江中联建设集团有限公司。2004年，中联集团希望在原有建筑主业的基础上进行升级转型，找到新的经济增长点。纳诺高科是国内首家进行二氧化硅气凝胶商业化和产业化的公司，成立于2004年4月。纳诺高科在2006年4月成立了自己的研发中心，购买大批先进科研设备，招纳优秀的技术人员进行技术攻关和产品深度开发。为了解决产品成本过高的问题，2007年公司又引入了同济大学作为战略合作伙伴，并成立“同济大学·纳诺高科气凝胶联合研究所”。 地址: 浙江省绍兴市城东剡溪路488号 网址: 03.广东埃力生高新科技有限公司 于2006年创立于广东英德市，是一家集研发、生产、销售气凝胶复合隔热材料和真空绝热材料为一体的创新型高新技术企业，也是中国大规模工业化生产气凝胶隔热材料的领军企业。我公司自创建以来，引进了大批高级技术人员和管理人才，以“科技创新、质量第一”为研发理念、以“节能环保”为主题，成功地将气凝胶保温隔热这一创新技术转化为气凝胶复合隔热材料产品与工业应用解决方案，生产出气凝胶毡、气凝胶板、真空绝热板三大系列产品。
地址：广东省广州市越秀区东湖西路2号金湖大厦1202室 网址： 04.张家港保税区润特国际贸易有限公司 位于经济繁荣的张家港，是专门从事节能减排领域技术的研究；近年来重点致力于气凝胶绝热复合材料的应用技术研究，并已取得了丰硕的成果。 地址：江苏省苏州市张家港市保税区金税大厦759室 网址： 05.三A化工集团 集团下属四个子公司横跨无机、有机二个产业，以国内著名科研院所、知名大学为技术依托，在两个产业上梯次开发专、精、新的硅化工系列产品，形成了产品树。年产各种规格硅酸钠12万吨，超细二氧化硅系列产品2000吨，络合金属透明染料系列产品1500吨，大孔超细二氧化硅气凝胶系列产品1万吨。 主营产品或服务：气凝胶,消光剂,二氧化硅,金属络合透明染料,硅酸钠 地址：湖南省冷水江市经济技术开发区 网址： 06.长沙星纳气凝胶有限公司 是一家专业从事气凝胶相关技术与产品研发、生产以及销售的科技型企业。 地址：湖南省长沙市岳麓区麓山南路932号 网址： 07.山西天一纳米材料科技有限公司 是中国领先的凝胶法合成二氧化硅高新技术企业，在消光剂、喷墨介质吸附剂、塑料开口剂、保温绝热复合材料产品及技术方面，处于国内同行的领先地位。
技术创新与科学发现、技术发明的比较分析以及技术创新的关键知识交流
技术创新与科学发现、技术发明的比较分析以及 技术创新的关键 2006年1月9日, 胡锦涛同志在全国科学技术大会上号召:“动员全党全社会坚持走中国特色自主创新道路, 为建设创新型国家而努力奋斗”。十六届五中全会通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议》指出: “建立以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的技术创新体系, 形成自主创新的基本体制架构。大力开发对经济社会发展具有重大带动作用的高新技术, 支持开发重大产业技术, 制定重要技术标准, 构建自主创新的技术基础。加强国家工程中心、企业技术中心建设, 鼓励应用技术研发机构进入企业, 发挥各类企业特别是中小企业的创新活力, 鼓励技术革新和发明创造。”培育企业的技术创新能力, 对于提升我国的自主创新能力、建设创新型国家, 意义重大。科学的大厦是由科学发现、技术发明和技术创新共同构成的，彼此联系，缺一不可，又各自发挥着独立和不可替代的作用。技术创新是经济活动，科学发现是认识世界，技术发明是改造世界。本文主要通过列举和对比的方法，对科学发现、技术发明和技术创新作一比较分析，试图阐明它们之间的联系并论述了技术创新的关键和特点。 一、发明与发现 “发现乃发明之母”讲的是一种由发现导致发明的单向关系。其实，只要对科技发明史进行一番考察，我们会发现，发现与发明之间不只是一种单向因果关系，而是一种可逆、双向、互为条件的关系。 1、发现衍生发明 历史证明，如果没有发现，便不会有人类的发明。人类的每一项发明都是建立在发明者对某种特定自然规律的发现性认识的基础之上的。发现可分为自发性发现与自觉性发现。自发性发现是人类对自然规律现象性的、外在性的、首次性感性认识。如浮力现象的发现、弹性现象的发现、力的平衡现象的发现等，皆是自发发现。自觉性发现，也就是通常所说的科学发现，是人类对自然规律本质性的、内在性的、首次性理性认识，如浮力定律的发现、牛顿力学定律的发现、能量守恒定律的发现等。 人类的诸多发明，尤其是在古代社会时期的发明，皆是在自发发现的基础上得到的。在古代社会，人们并不知道微生物的存在，但意外的发酵现象，使他们
气凝胶调研报告
气凝胶调研报告 1. 目的 了解气凝胶的基本信息、研究现状、应用现状以及国内相关厂家的信息，寻找其在功能玻璃上的应用。 2. 气凝胶概述 2.1 气凝胶的概念 凝胶（gel）指的是溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子在一定条件下互相连接，形成空间网状结构，结构空隙中充满了液体作为分散介质的特殊分散体系[1]。 气凝胶（aerogel）指的是当凝胶脱去大部分溶剂，凝胶中液体含量比固体含量少得多，或者凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体时，即湿凝胶中液体被气体取代同时保持网络结构，外表呈现固体状的物质称为气凝胶，一般又称为干凝胶（xerogel）[2]。但是从严格的定义上来讲，气凝胶与干凝胶并非同一概念。有文献指出，湿凝胶经过超临界干燥得到的是气凝胶，经过常压干燥得到的是干凝胶；气凝胶是块状结构，而干凝胶一般是粉体或者颗粒[3]。 图1 气凝胶 2.2 气凝胶的发展 气凝胶最早问世于1931年，由美国斯坦福大学的Samuel Stephens. Kistler[4]利用溶胶凝胶法结合超临界干燥技术水解水玻璃的方法制备出具有完整网络结构的硅气凝胶，同时研究了硅气凝胶的性质，并预言气凝胶在催化、隔热、玻璃和陶瓷等领域的应用，但是由于受到制备工艺的限制，并未得到人们的足够重视。1966年，J. B. Peri[5]利用硅脂经一步溶胶凝胶法制备出氧化硅气凝胶，推动了气凝胶的发展。1974年粒子物理学家Cantin[6]等首次报道了较SiO2气凝胶应用于切伦科夫探测器探测高能粒子。80年代，Tewari[7]对湿凝胶的干燥工作进行研究，推动了硅气凝胶的商业化过程。 国内最早于1955年，由同济大学波尔固体物理研究所对气凝胶展开研究。随后，清华大学、东华大学等高校也对气凝胶展开研究。 2.3 气凝胶的分类 按其组分，气凝胶可分为单组分气凝胶，如SiO2、Al2O3、TiO2、炭气凝胶（有机气凝胶炭化后得到）等；多组分气凝胶，如SiO2/Al2O3、SiO2/TiO2等。 目前研究最广泛、深入的气凝胶是单组分的SiO2气凝胶和炭气凝胶；其中以SiO2气凝胶的应用最为广泛[8]；炭气凝胶由于制备工艺复杂、原料昂贵、生产周期长等，产业化困难、市场难以接受[3]。 2.4 SiO2气凝胶的性质
二氧化硅气凝胶的研究现状与应用(综述)解读
学 年 论 文 题目： SiO 2气凝胶的研究现状与应用 学 生： 房斯曼 学 号： 200902010204 院 （系）：材料科学与工程学院 专 业： 材 料 化 学 指导教师： 李 翠 艳 2012年 6 月 1 日
SiO2气凝胶的研究现状与应用 材化092 班###指导老师：李## (陕西科技大学材料科学与工程学院陕西西安710021） 摘要:本文从二氧化硅的研究历史和现状出发，从制备方法、干燥工艺、性能与应用领域等方面综述了二氧化硅气凝胶的研究进展，并对二氧化硅气凝胶的发展前景进行了展望。 关键词:二氧化硅气凝胶，制备，干燥，应用 Current Research and Applications of Silica Abstract: The article reviewed the latest development and the history of the research of silica aerogel, summarized the progress of the silica aerogel research in the aspects of preparation methods, drying technologies, properties and current application. And the article also looks forward to the development prospect of silica aerogel. Keywords: silica aerogel, preparation, drying, application 0 前言 二氧化硅气凝胶是在保持胶体骨架结构完整的情况下，将胶体内溶剂干燥后的产物,它问世于1931年，美国科学家首先由斯坦福大学的S．S．Kistler制得了二氧化硅气凝胶。1966年J．B．Peri利用硅酯经一步溶胶—凝胶法制备出氧化硅气凝胶，从而使材料的密度更低，进一步推动了气凝胶研究的进展。1974年粒子物理学家Cantin等首次报道了将1700升和1000升的氧化硅气凝胶应用于两个Cerenkov探测器。此后，硅气凝胶作为隔热材料又成功地应用于双面窗HJ。1985年Tewari使用二氧化碳为超临界干燥介质，成功地进行了湿凝胶的干燥，推动了硅气凝胶的商业化进程。 随着人们对二氧化硅气凝胶研究的深入，气凝胶制备及应用有了许多新的发展。本文从二氧化硅现有的制备方法和二氧化硅气凝胶的性能出发，查阅各方资料，指出了不同的制备条件对二氧化硅气凝胶性能的影响以及各种方法的优点及待改进的地方，总结了二氧化硅气凝胶的各种优异的性能以及在各个领域的应用。并且对二氧化硅气凝胶的发展进行的展望。 1 SiO2气凝胶的制备工艺 目前，二氧化硅气凝胶的主要制备方法就是通过溶胶凝胶方法先得到SiO2凝胶，再经过干燥可得到二氧化硅气凝胶。溶胶凝胶制备二氧化硅凝胶因为受到很多因素的影响，在不同的制备因素下所得到的气凝胶性能会有所影响。
气凝胶的应用领域
二氧化硅气凝胶的应用领域 气凝胶材料在输热管道方面的应用 输热管道保温的现状 现在的工业输送供热管道，管道内温度从几十度至5,600度都有。这些管道的保温工程广泛使用硅酸铝镁质材料，玻璃纤维类材料。约30年前，保温工程还几乎都只是采用岩棉，矿物棉类材料，到现在，岩棉保温在工业保温工程中， 已被淘汰。在施工性能，防水性能等方面都差别不大的情况下，被淘汰的主要原因就是导热系数的差距。以下为主要几种材料在不同温度下导热系数。
现在我国的保温工程的问题： ?保温结构不合理、保温厚度不规范、保温施工不到位。 ?易变形、沉降，热稳定性差，破损率大，后期保温效果差，无法满足工艺要求。 ?保温效果差且下降明显，导致保温工程维护成本提升，设备运行费用增加。 ?使用寿命基本只有3?5年，到期需全部更换。 ?不完全防水，易吸水吸潮腐蚀管道。 ?对于超过100度的较高温度的管道，保温层至少需要＞200mn厚度，管道线热流密度高，热能损失大。 气凝胶材料带来的好处： ?隔热效果是传统隔热材料2-5倍，高温下优势更明显，而且寿命更长。 ?材料整体憎水，可有效防止水分进入管道、设备内部，同时具有A1级防 火性能。 ?质轻，容易裁剪、缝制以适应各种不同形状的管道、设备保温，且安装所需时间及人力更少。 ?更少的包裹体积及更轻的重量可大大降低保温材料的运输成本。 ?对设备进行保温的同时，还可以起到吸声降噪、缓冲震动等功能，提高环境质量，保护设备。 ?仅需1/2至1/5的厚度即可达到传统材料相同的隔热效果，热损失非常小, 空间利用率高。 气凝胶复合保温材料与现流行的保温材料具体性能对比:
气凝胶复合保温材料与现流行的保温材料的经济效益对比: （以 实际应用过程中，复合硅酸盐毡在使用2、3个月后，保温效果将越来越差, 损失的热量将更大。
气凝胶项目立项报告
关于气凝胶项目 立项报告 一、项目建设背景 实现发展目标，破解发展难题，厚植发展优势，必须牢固树立和 贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念。 创新是引领发展的第一动力。必须把创新摆在国家发展全局的核 心位置，不断推进理论创新、制度创新、科技创新、文化创新等各方 面创新，让创新在全社会蔚然成风。 协调是持续健康发展的内在要求。确处理发展中的重大关系，重 点促进城乡区域协调发展，促进经济社会协调发展，促进新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步发展，在增强国家硬实力的同时注 重提升国家软实力，不断增强发展整体性。 绿色是永续发展的必要条件和人民对美好生活追求的重要体现。 必须坚持节约资源和保护环境的基本国策，坚持可持续发展，坚定走 生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路，加快建设资源节约型、环境友好型社会，形成人与自然和谐发展现代化建设新格局，推 进美丽中国建设，为全球生态安全作出新贡献。
开放是国家繁荣发展的必由之路。必须顺应我国经济深度融入世 界经济的趋势，奉行互利共赢的开放战略，坚持内外需协调、进出口 平衡、引进来和走出去并重、引资和引技引智并举，发展更高层次的 开放型经济，积极参与全球经济治理和公共产品供给，提高我国在全 球经济治理中的制度性话语权，构建广泛的利益共同体。 共享是中国特色社会主义的本质要求。必须坚持发展为了人民、 发展依靠人民、发展成果由人民共享，作出更有效的制度安排，使全 体人民在共建共享发展中有更多获得感，增强发展动力，增进人民团结，朝着共同富裕方向稳步前进。 坚持创新发展、协调发展、绿色发展、开放发展、共享发展，是 关系我国发展全局的一场深刻变革。创新、协调、绿色、开放、共享 的新发展理念是具有内在联系的集合体，是当前时期乃至更长时期我 国发展思路、发展方向、发展着力点的集中体现，必须贯穿于当前时 期经济社会发展的各领域各环节。 气凝胶材料的研制机构主要集中在美国LawrenceLivermore国家 实验室（LLNL）、DESY公司、桑迪亚国家实验室（SNL）、德国的Franhof公司、法国蒙彼利埃材料研究中心，瑞典LUND公司以及美国、德国、日本、中国的一些高等院校。在国内，同济大学波尔固体物理
现代服务业共性关键技术研发及应用示范
“现代服务业共性关键技术研发及应用示范” 重点专项2017年度项目申报指南建议 为落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》，《国家创新驱动发展战略纲要》、《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》、《国务院关于加快科技服务业发展的若干意见》、《国家文化科技创新工程纲要》等提出的任务，国家重点研发计划启动实施“现代服务业”重点专项。根据本重点专项实施方案的部署，现提出2017年度项目申报指南建议。 本重点专项总体目标是：针对我国现代服务业发展模式创新不足、科技创新支撑不足、服务实体经济能力薄弱等突出问题，以新一代信息和网络技术为支撑，以“创新、开放、分享、协同、融合”为发展理念，以提升现代服务业科技创新支撑能力与水平为主题，以推进互联网与服务业、现代服务业与实体经济融合发展为主线，创新现代服务科学，攻克关键核心技术，促进技术创新和商业模式创新融合，打造现代服务支撑平台，推进“产学研用”结合的跨学科、综合交叉科研团队和联盟建设，重塑现代服务业技术体系、产业形态和价值链，提高科技在现代服务业增加值中的贡献度，创新发展跨界融合的现代服务新生态，服务实体经济转型升级。
本重点专项按照现代服务科学理论、服务关键核心技术、新兴服务业支撑平台研发与示范、科技服务业支撑平台研发与示范、文化科技服务业支撑平台研发与示范等5个方向，共部署35项任务。专项实施周期为5年(2017-2021年)。 2017年，拟在5个方向，按照基础理论类、共性关键技术类、应用示范类三个层次，启动不少于25个项目，拟安排国拨经费总概算约4.6亿元。应用示范类项目鼓励充分发挥地方和市场作用，强化产学研用紧密结合。共性关键技术类、应用示范类项目，配套经费总额与国拨经费总额比例不低于1:1。 项目申报统一按指南最低一级标题（如1.1）的研究方向进行。项目实施周期不超过3年。申报项目的研究内容必须涵盖最低一级标题下指南所列的全部研究内容和考核指标。项目下设课题数不超过5个，每个课题参研单位不超过5个。项目设1名项目负责人，项目中每个课题设1名课题负责人。 1.现代服务科学理论 1.1众智科学基础理论与方法研究 研究内容：面向由不同类型的企业、个人、政府部门、物品等众多智能主体在线互联构成的自组织生态化众智网络系统或新一代现代服务体系，研究建立相关智能主体的网
二氧化硅气凝胶综述
二氧化硅气凝胶简介 气凝胶（aerogels）通常是指以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。气凝胶是一种固体，但是99%都是由气体构成，外观看起来像云一样。气凝胶因其半透明的色彩和超轻重量，有时也被称为“固态烟”或“冻住的烟”。 最常见的气凝胶为二氧化硅气凝胶。SiO2气凝胶是一种防热隔热性能非常优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料，其孔隙率高达80-99.8％，孔洞的典型尺寸为1-100 nm，比表面积为200-1000 m2/g，而密度可低达3 kg/m3，室温导热系数可低达0.012 W/（m?k）。正是由于这些特点使气凝胶材料在热学、声学、光学、微电子、粒子探测方面有很广阔的应用潜力。 一、气凝胶发展历史 早在1931年，Steven.S.Kistler就开始研究气凝胶。他最初采用的方法是用硅酸钠水溶液进行酸性浓缩，用超临界水再溶解二氧化硅，用乙醇交换孔隙中的水后，利用超临界流体干燥技术制成了最初的真正意义上的气凝胶。这种材料的特点是透明、低密度、高孔隙率。但受当时科研手段的限制，这种材料的研制并没有引起科学界的重视。 上世纪七十年代，在法国政府的支持下，Stanislaus Teichner在寻找一种用于存储氧和火箭燃料的多孔材料的过程中，找到一种新的合成方法，即把溶胶- 凝胶化学方法用于二氧化硅气凝胶的制备中。这种方法推动了气凝胶科学的发展。 此后，气凝胶科学和技术得到了快速发展。1983年Arlon Hunt 在Berkeley 实验室发现可用更安全、更廉价的二氧化硅气凝胶制作方法。与此同时，微结构材料研究小组发现可用具有更低临界温度和临界压力的二氧化碳超临界流体取代乙醇作为超临界干燥的流体，使得超临界干燥技术得以向实用化阶段迈进。 八十年代后期，Larry Hrubesh 领导的研究者在Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) 制备了世界上最轻的二氧化硅气凝胶，密度是0.003 g/cm 3，仅有空气的3倍。不久之后，Rick Pekala(LLNL) 制备了有机气凝胶，包括间苯二酚-甲醛气凝胶、三聚氰胺-甲醛气凝胶。间苯二酚-甲醛气凝胶能够被热解得到纯碳气凝胶，该方法开创了气凝胶研究的新领域。 进入九十年代以后，对于气凝胶领域的研究更为深入。据不完全统计，近
气凝胶的应用与制备
气凝胶的制备与应用 摘要 本文简要综述了气凝胶[9]的基本特性、制备方法、表征手段和其国内外研究概况；主要工作及相应 超临界流体干燥方法制备出性能优良、具有纳米网络结构结果是采用溶胶－凝胶工艺、溶剂置换和CO 2 的气凝胶。 目录 1.气凝胶的性质及其应用 2.气凝胶的制备 3.气凝胶的结构控制及表征 4.发展与展望 前言 气凝胶是一种新型低密度多孔纳米材料，具有独特的纳米级多孔及三维网络结构，同时具有极低的密度（3-500kg/m3）、高比表面积（200-1000m2/g）和高孔隙率（孔隙率高达％，孔洞典型尺寸为1-100nm），从而表现出独特的光学、热学、声学及电学性能[1]，具有广阔的应用前景。气凝胶主要包括无机气凝胶、有机气凝胶及炭气凝胶。 1. 气凝胶的性质及其应用 由于气凝胶是具有纳米结构的多孔材料，在力学、声学、热学、电学、光学方面有许多独特的性质，如具有低折射率、低声阻抗，具有极大的比表面积、低杨氏模量，对光、声的散射比传统材料小的多，这些性质使气凝胶不仅在基础研究中得到重视，而且在许多领域内有广泛的应用前景。 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，自相似结构持续到尺度ξ（约为100nm），在ξ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ξ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ρ ξ 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ρ之间关系都满足标度定律，可分别表示如下：C＝kρn，Y＝kρm，其中标度参量n﹑m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=ρC,可变范围很大，进而可以通过控制ρ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[8]。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3-5μm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，TiO 2 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Al 2O 3 气凝胶则可耐2000℃的高温，在作为高温隔热材料方面，有着无比的优 越性。 电学性能方面，气凝胶的介电常数ε与质量密度ρ之间有近似的线性关系，如MF气凝胶ε-1＝ ×10-3ρ，RF气凝胶有ε-1=×10-3ρ。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σ一般在10-40s/cm，因此可以用来制造高效高能底可充电电池。这种电池实际上是一种高功率密度，高能量密度的双层电化学电容器。同时由于炭气凝胶巨大的比表面积，连续且导电的三维网络状结构，目前比电容量已经达到105F/kg。 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e＝ 0.1m2/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。气凝胶还是折射率可调的材料，通过调节密度ρ可方便调节折射率n，一般n满足：n＝1+×10－4ρ/kg·m-3。 催化剂及其载体方面[4]，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