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二氧化硅氣凝膠的熱學特性及其應用

2014/7/16 17:13:29      點擊:

二氧化硅氣凝膠的熱學特性及其應用_二氧化硅氣凝膠是一種合成的無定形硅膠,與結晶硅膠顯著不同。硅膠分子由一個硅原子和兩個氧原子構成。如下圖所示,硅膠有兩種基本形式:無定形硅膠和結晶硅膠。如果硅膠分子排列整齊并且形成可重復樣式,則為結晶硅膠。如果硅膠分子排列不整齊,則為無定形硅膠。

二氧化硅氣凝膠又被稱作藍煙、固體煙,是目前已知的最輕的固體材料,也是迄今為止保溫性能最好的材料。因其具有納米多孔結構(1~100nm)、低密度(3~250kg/m3)、低介電常數(1.1~2.5)、低導熱系數(0.013~0.025W/(m·k))、高孔隙率(80~99.8%)、高比表面積(500~1000m2/g)等特點,在力學、聲學、熱學、光學等諸方面顯示出獨特性質,在航天、軍事、石油、化工、礦產、通訊、醫用、建材、電子、冶金等眾多領域有著廣泛而巨大的應用價值,被稱為改變世界的神奇材料。

二氧化硅氣凝膠

一、熱學特性及其應用 

1、二氧化硅氣凝膠熱學特性

氣凝膠的納米多孔結構使它具有極佳的絕熱性能,其熱導率甚至比空氣還要低,空氣在常溫真空狀態下的熱導率為0.026W/(mk),而氣凝膠在常溫常壓下的熱導率一般小于0.020W/(mk),在抽真空的狀態下,熱導率可低至0.004W/(mk)。氣凝膠之所以具有如此良好的絕熱特性與它的高孔隙率有關。熱量的傳導主要通過三種途徑來進行,氣體傳導,固體傳導,輻射傳導。在這三種方式中,通過氣體傳導的熱量是很小的,因此大部分氣體都具有非常低的熱導率。常用的絕熱材料都是多孔結構,其正是利用了空氣占據了固體材料的一部分體積,從而降低了材料整體的熱導率。氣凝膠的孔隙率比普通絕熱材料要大得多,其95%以上都是由空氣構成,決定了其將具有與空氣一樣低的熱導率。而且氣凝膠中包含大量孔徑小于70nm的孔,70nm是空氣中主要成分氮氣和氧氣的自由程(氣體分子兩次碰撞之間的時間內經過的路程的統計平均值),因此意味著空氣在氣凝膠中將無法實現對流,使得氣態熱導率進一步降低。氣凝膠中含量極少的固體骨架也是由納米顆粒組成,其接觸面積非常小,使得氣凝膠同樣具有極小的固態熱導率。氣凝膠的熱輻射傳導主要為發生在3-5um區域內的紅外熱輻射,其在常溫下能夠有效的阻擋紅外熱輻射,但隨著溫度的升高,紅外熱輻射透過性增強。為了進一步降低高溫紅外熱輻射,通常向氣凝膠中加入遮光劑,如碳黑、二氧化鈦等,遮光劑的使用能夠大大降低高溫下的紅外熱輻射。

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