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1400度的高溫都能扛得住,重量與空氣相當,氣凝膠是什么黑科技?

原創
2020-03-08  制造原理

如果要問世界上最輕的東西是什么?很多小伙伴也許會說最輕的是棉花,一片羽毛或是蒲公英等等。

在國際頂級權威學術雜志《科學》第250期中,列出了可以改變世界的十種新材料,而在這些新材料中有一種材料因為其獨占多項世界紀錄,位居十大新材料之首。

這種材料只比等量空氣的重量要重一點點,但是卻能抵抗1400攝氏度的高溫,這比大多數金屬熔點都要高,全世界的科學家都為它的這些獨特性能所吸引,它的名字就是氣凝膠。

一定濃度的高分子溶液或溶膠在特定的條件下,粘度就會逐漸增加,最后會失去液態的流動性,整個形態就會變成一種外觀均勻,并保持一定形態的彈性半固體,而這種彈性半固體就被稱為凝膠。

像我們小時候都喜歡吃的果凍就是常見的一種凝膠,這種凝膠是依靠水和其它液態充滿內部后形成的,而在凝膠中充滿氣體就會變成另一種凝膠,這就是氣凝膠。

氣凝膠的特點

氣凝膠是世界上最輕的固體材料,這也被列入了基尼斯世界紀錄,因其顏色呈現出淡藍色,因此也被稱為“藍煙”,也有人將其稱為“固體空氣”。

在陽光的照射下氣凝膠幾乎透明,重量也非常的輕,氣凝膠內部99.8%的是空氣,而密度只有同樣原材料是二氧化硅玻璃的千分之一,這些很輕的氣凝膠只要一抽掉空氣密度甚至就會比空氣還低。

氣凝膠是一種內部有很多空隙的固態物質,里面充滿了空氣,把它拿在手上看上去就像凝固的煙,非常輕盈,這種材料看起來脆弱不堪,但其實非常的堅固牢靠,氣凝膠可以承受超過自身重量1000倍的壓力。

氣凝膠具有納米級的孔隙,這使得不管是冷空氣還是熱空氣都很難穿透它們,是目前熱導率最低的固體材料,因此氣凝膠也被用作設備的隔熱。

氣凝膠發展歷史

雖然說氣凝膠是新型材料,但是早在1931年美國科學家就用二氧化硅首先制造出了氣凝膠。

在20世紀40年代,氣凝膠開始得到應用,有美國公司將氣凝膠用作一些牙膏和化妝品的添加劑。

由于當時受到技術和設備的限制,制備氣凝膠非常的困難,所以在隨后的幾十年里氣凝膠的發展相對來說就是停止不前的,以至于人們都忘記了這種材料。

20世紀70年代,法國人實驗出了氣凝膠的快速制備方法,并且在航空航天領域使用,從此很多國家也加快了氣凝膠的研發,氣凝膠也迎來了快速發展。

到了21世紀隨著氣凝膠制備技術的成熟,氣凝膠開始慢慢的產業化,從實驗室走出來變成各種高科技產品。

氣凝膠的制造過程

氣凝膠不但擁有獨特的性能,也是最漂亮的材料之一,有特定形狀的氣凝膠看起來就像全息攝影作品一樣,非常的漂亮。

配料

來看看氣凝膠是怎么樣從各種化學液體,變成這種神奇的固體材料的,制造氣凝膠需要的四種原料是,硅酸甲脂,甲醇,濃氨水以及水。(實驗室制造的氣凝膠,工業生產跟這個還是有區別的)

將一定量的硅酸甲脂和甲醇倒入底部含有攪拌珠的燒杯中,再將燒杯移到一臺能產生旋轉磁場的設備上,磁場能讓攪拌珠旋轉將燒杯中的兩種材料攪拌均勻,然后將這種混合物倒入裝有水,氫氧化銨和甲醇的更大燒杯中,此時一場化學反應就將發生,這些混合物會形成凝膠。

入模凝固

但在凝膠形成之前還有做好模具,將混合物液體倒入長方形格柵模具中,讓其形成凝膠,為防止凝膠在形成中混入其它物質,就需要在幾分鐘內讓化合物迅速凝結,但要變得牢固則需要一天的時間。

凈化雜質

凝膠的孔隙小到肉眼看不到,為了清理凝膠空隙中的雜質,就要反復將凝膠浸入甲醛中讓甲醛滲入到凝膠空隙中清理掉雜質,甲醛在侵泡幾天后凝膠就凈化完成,之后這些凝膠要經過超臨界干燥流程,這一步會將凝膠變成氣凝膠。

注入二氧化碳

將凝膠放入到高壓容器中,通過螺桿封閉容器,以抵御超過標準大氣壓100倍的壓強,將輸送液態二氧化碳的軟管與高壓容器相連,二氧化碳會替換掉溶膠空隙中的甲醛,然后對溶膠進行加熱和施壓,直到溶膠內部的二氧化碳處于超臨界狀態,也就是半液態和半氣態,這一步是氣凝膠制造過程重最關鍵的步驟。

超臨界的二氧化碳從中擴散出來,而且不會導致溶膠的固態框架崩塌,這一過程將凝膠變成了被空氣占據了大部分空間的透明固體,這樣氣凝膠就制造完成了。

氣凝膠的應用

氣凝膠被稱為可以改變世界的十大型材料之一,而這種神奇的型材料之所以被認為可以改變世界的原因是,氣凝膠就如同一種神奇的魔法材料,除了氣凝膠本身具有的特殊性能外,當把它加入到其它金屬,紡織等傳統材料中時,傳統材料就會被全面加強,從而成為各種高精尖科技的基礎,讓那些傳統材料瞬間就變成可以改變行業的新材料。

氣凝膠的諸多優點也讓它在很多領域都成為理想的材料,氣凝膠在被壓縮后仍可恢復原狀,這種多孔的結構讓它的吸附性能極強,用氣凝膠可以吸附水中的雜質和油污,甚至有科學家還用它來吸附水中的鉛和水銀,是理想的吸附材料。

圖片來源:pixabay

氣凝膠還能成為理想的隔熱和消聲材料,應用到飛機潛艇上不但隔熱消聲效果極佳,還能有效減輕自身重量,節省燃料的同時速度還會更快。


利用氣凝膠這種絕熱材料制造的消防員防火服,能夠在相當長的時間內隔絕高溫,以保護消防員的安全,除此之外氣凝膠還可以用于宇航服,日常生活中所使用的網球拍等體育用品,工業以及建筑中的隔熱材料,車輛等交通運輸材料等等。

擁有既輕便又堅固的特殊材料,一直都是人類的追求,新型氣凝膠未來將走進我們生活中的衣食住行,隨著氣凝膠產業化步伐的加快,未來將在各個行業中起到引領行業變革的巨大作用,成為促進產業升級的催化劑。

文中Gif截取自Youtube《How Its Made - 1336 Aerogel》《World's Lightest Solid!》
文中圖片截取自《How Its Made - 1336 Aerogel》《World's Lightest Solid!》《I Waterproofed Myself With Aerogel!》

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