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科技前沿:气凝胶防寒服

发布时间:2018-08-28 14:55 文章来源:网络(转载请注明)

  凝胶是一种很常见的物质,大家常吃的果冻就是一种典型的凝胶。大多数凝胶都是从溶液或是溶胶通过凝胶化而形成的。溶液中的胶体颗粒或是高分子颗粒在一定的条件下发生交联,形成空间网络结构,而溶剂填充在空间网络的孔隙中,就形成了凝胶。溶剂为水的凝胶被称为水凝胶,而溶剂为气体的凝胶自然就是气凝胶。

  早在1931年,S.S. Kistler就成功的通过水解水玻璃的方法制备了二氧化硅气凝胶。可笑的是,这一创造的初衷竟然是他和同事C. Learned之间的一场赌注, 竞争谁有办法将凝胶中的液体成分用气体取代但不改变疏松多孔的空间网络结构。虽然初衷看似玩笑,但他们的思路确实完全正确的,即便是现在,气凝胶的制备原理仍然如此。最后,Kistler通过超临界干燥法将凝胶中的液体成分抽出赢得了这一赌注。此后,他又成功的制备了以铝,铬或是氧化锡为基础的气凝胶。时至今日,气凝胶已经发展成了一个庞大的家族。根据构成空间网络结构的材料,气凝胶可以分为硅气凝剂,碳气凝胶,硫气凝胶,金属气凝胶和氧化物气凝胶等等。但事实上,气凝胶中的绝大部分体积都是空气,美国国家宇航局下属的“喷气推进实验室”的材料科学家发明的二氧化硅气凝胶,其中99.8%的体积都是空气,密度与空气相当,被人们称为“凝固的烟”

  那么,气凝胶防寒服的保暖能力从何而来呢?在材料学领域有一句经典语录——结构决定性能。气凝胶的显微结构如上图所示,大家可以用几个特征的几何参数来描述气凝胶的结构,例如气孔率,气孔尺寸和纤维直径等等,这几个参数同时也决定了气凝胶的热传导性能。自然界中的传热方式有三种,热传导,热辐射和热对流。我下面就分别看看气凝胶中这三种传热方式是怎样的。

  首先,热传导主要沿着构成空间网络结构的纤维完成,而气凝胶中的纤维直径通常很细,基本达到百纳米尺度或者更小,传热能力很低;再者,纤维在空间中是任意弯曲堆叠的,进一步延长了传热路径,导致气凝胶的热传导能力接近最低极限。

  其次,热辐射在气凝胶中会受到纤维和气孔之间界面的不断散射,由于气凝胶内的气孔均为纳米孔,并且气孔率极高,相当于在材料中增加了无数的散射中心,限制了辐射自由程,导致气凝胶的热辐射能力接近最低极限。

  最后,由于气凝胶中绝大部分都是空气,因此热对流应该是其传热的主要途径。然而,理论研究表明,当气凝胶中的气孔尺寸小于70nm时,由于空气和纤维之间的相互作用,空气分子失去了自由流动的能力,而是相对的附着在纤维上,导致气凝胶的热对流能力也非常低。而这一点,也是气凝胶防寒服与常规的毛衣,棉衣或是羽绒衣相比最大的优势。传统的防寒服本质上也是疏松多孔的纤维网络结构包裹着空气,但其中的气孔率明显较低,孔径也相对较大,热对流能力明显强于气凝胶防寒服。此外,棉衣或是羽绒衣在被雨雪打湿的时候,棉絮或羽绒组成的空间网络结构被水的重量和表面张力压缩,其中的空气被挤出,保暖能力大幅下降。而经过表面处理过的气凝剂材料则具有一定的疏水性,在雨雪天气仍然可以保持结构和保暖能力。事实上,气凝胶防寒服可以在液氮温度下保持内部温度在室温附近,可以满足宇航员在太空中的保暖需求。

  可以说,气凝胶防寒服是名副其实的“NASA技术民用化”,但气凝胶的本领远不止防寒服这么简单。除了凭借极强的绝热能力应用于宇航设备或是高精度科学仪器的绝热外,超高的气孔率还有极强的吸附能力,可以用于空气和水中污染物的吸取与清除。此外,纤维网络结构带来的力学性能甚至让气凝胶在太空中发挥捕获彗星碎片的能力。目前,以气凝胶为关键词的研究论文仍然以每年上千篇的速度在发展,而气凝胶在未来还能给大家带来哪些精细,大家拭目以待。

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