《气凝胶的发展史.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《气凝胶的发展史.docx（3页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、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 thePacific)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，Kis
2、tler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:
3、A1203 , W03 , Fe203 , Sn02、酒石酸镣、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，至VMonsant。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，
4、Monsanto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ClaudBernard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
5、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。
6、这项发现之后，随着加入到这个领域的研究人员的增加，气凝胶科学技术有了快速发展。下面是一些著名的成果：(1) 20世纪80年代初期，粒子物理学家认识到 SiO2气凝胶将是制造切仑科夫 (Cherenkov) 探测器的理想介质材料，试验需要大量的透明SiO2气凝胶。他们使用 TMOS方法,制造了两个大探测器：一个是在德国汉堡的DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron)实验室的TASSO探测器，使用了 1700升SiO2气凝胶；另一个是欧洲粒子物理研究所(CERN)制造的探测器，使用了由瑞典兰德大学(University of Lund)制备的1000升Si02气
7、凝胶。(2)使用TMOS方法，制备Si02气凝胶块状材料的第一个试验工厂(中试厂)是由兰德大学的研究人员在瑞典的斯乔波(S jobo)建立的。工厂使用了3000升的高压反应釜，以满足使用超临界甲醇(2400C 80个大气压)所需的高温高压。可是，在 1984年高压釜在生产过程中 发生泄漏，厂房内很快充满了甲醇蒸气，随之发生了爆炸。 幸运的是，在这次事故中未造成人员伤亡，但设备完全报废了。后来，工厂重建，继续使用 TMOS方法生产SiO2气凝胶。 现在，这家工厂由 Airglass公司管理。(3) 1983年，伯克利实验室 (Berkeley Lab)的微结构材料研究组(Microstructu
8、red Materials Group)发现毒性非常大的化合物 TMOS可用正硅酸乙脂(TEOS)替代，TEOS是比 较安全的试剂，使用 TEOS不降低气凝胶产品的质量。(4) 微结构材料研究组(Microstructured Materials Group)也发现，在进行超临界干燥之前，凝胶中的乙醇能用液态CO2替换，而不会对气凝胶产生不良影响。在安全性方面，这又是一个极大的进步，因为在CO2的临界点 .0 C , 7.3MPa)的操作条件要比甲醇的临界点 (239.40C 8.09MPa)的操作容易控制。此外，C02没有爆炸的危险。这种技术被用于由 TEOS制备透明的SiO2气凝胶材料。德
9、国 BASF公司同时发明了由硅酸钠制备SiO2气凝胶小珠的CO2取代方法，这种材料直到1996年才开始投产，商品名为“ BASOGEL"。(5) 1985年，德国维尔兹堡大学物理所的Jochen Fricke教授在维尔兹堡组织了首届“气凝胶国际研讨会"(International Symposium on Aerogels，简称ISA)在这次会议上收到了世界 各地的研究人员提交的25篇论文。随后，ISA分别于1988年在法国的蒙彼利埃、1991年在德国的维尔兹堡、1994年在美国的伯克利举行。其中参加1994年的第四届ISA会议的人员有151名，10个特约报告，51篇投稿，
10、35篇展报。第五、六界ISA会议分别于1997年 和2000年在法国的蒙彼利埃及美国新墨西哥州的阿尔伯克基市(Albuquerque)举行。(b) 20 世纪 80 年代后期，由 Larry Hrubesh 领导的 LLNL 实验室(Lawrence Livermore National Laborato动研究人员制备出世界上密度最小的CO2气凝胶(并且是密度最小的固体材料)，气凝胶的密度为 0.003g/cm3,仅是空气密度的3倍。(7)美国的喷气推进实验室 (Jet Propulsion Laboratory)制备的气凝胶已经在航天飞机宇宙 飞行中执行了几次特别任务，这些低密度的气凝胶被用来收集高速的宇宙尘埃样品(Tsou,1995)。目前，气凝胶的研制主要集中在德国的BASF公司、DES丫公司，美国的劳仑兹利物莫尔国家实验室(LLNL)、桑迪亚国家实验室(SNL),法国的蒙彼利埃材料研究中心，瑞典的 LUND公司以及美国、德国、日本的一些高等院校。在国内，SiO2气凝胶的制备及其特性研究九十年代才开始起步(陈龙武等，1995)。