Свойства аэрогелей

Содержание

Введение……………………………………………………………..2

1. История открытия…………………………………………………..3
2. Структура…………………………………………………………...4
3. Свойства аэрогелей…………………………………………………5
4. Виды аэрогелей……………………………………………………..6
5. Способ производства……………………………………………….7
6. Недостатки…………………………………………………………...9
7. Применение………………………………………………………….10

Заключение……………………………...………………………………….13

Список литературы………………………………………………………..15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                   

 

Введение

Аэрогели (от лат.aer-воздух и gelatus замороженный) - класс материалов, представляющий собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной.

Гель (от лат. gelo - «застываю»)- система, характеризующаяся структурой, придающей гелю механические свойства твердых тел.

Гель – аморфный, некристаллический материал, состоящий из трехмерной сетки атомов и достаточно прочных ковалентных (обычно полярных) связей между ними, а также молекул растворителя, «застрявших» в пустотах геля.

Аэрогель - это легкий высокопористый материал, обладающий рядом исключительных и даже уникальных физических свойств, которые привлекают внимание исследователей, работающих в различных областях науки и техники [1].

 

 

 

 

 

История открытия

Согласно  Кистлеру, аэрогель представляет собой гель, в котором жидкая фаза замещена газообразной. Это позволяет избежать усадки, которая происходит, если гель высушивается непосредственно из жидкости. Таким образом, по-видимому, аэрогель можно было бы идентифицировать как гель, дающий усадку и теряющий объем пор при смачивании жидкостью и последующем высушивании. Для его получения необходима жидкость, такая, как м-пропиловый спирт, которая смачивает поверхность пор, имеет очень низкое поверхностное натяжение и испаряется при комнатной температуре.

В соответствии с таким  определением разработаны способы приготовления аэрогелей, исключающие процесс, предложенный Кистлером. Некоторые из подобных аэрогелей получили название «эстерсилы».

Кистлер приготовлял кремнеземные аэрогели посредством замещения большей части воды в геле спиртом, нагревания такого геля в автоклаве выше критического температуры спирта с тем, чтобы отсутствовал мениск между жидкостью и газовой фазой, и последующего удаления паров. В таком способе при удалении жидкой фазы структура геля не подвергалась воздействию сил сжатия, которые возникают на границе -раздела жидкость—газ благодаря поверхностному натяжению.

Тот факт, что структура  аэрогеля близка к структуре исходного влажного геля. Автор проводил гелеобразование кремневой кислоты в водно-спиртовых растворах при различных концентрациях кремнезема и затем превращал такие гели в аэрогели. Кажущаяся плотность аэрогеля прямо пропорциональна концентрации SiO₂ в спирте, в котором кремнезем застудневал. Плотность упаковки частиц кремнезема в аэрогеле, близка к плотности упаковки первоначально получаемого геля. Приготовленный Кистлером аэрогель, содержащий до 0,02 г/см3 кремнезема, представлял собой очень легкое, прозрачное, слегка опалесцирующее твердое вещество.

 

ления пор по размерам, причем наибольший объем пор наблюдался в капиллярах, имевших диаметр 40 нм. Адсорбция воды вызывала коалесценцию первичных частиц в таком геле и усадку геля с потерей объема пор. Было сделано заключение, что по поверхностным свойствам аэрогель подобен другим силикагелям, но отличается от них по объему и размеру пор. Кроме того, было обнаружено, что крупнопористый аэрогель SiO₂ давал усадку при обработке водой, а после высушивания образовывал структуру мелкопористого ксерогеля с незначительным изменением в величине удельной поверхности. Значения удельных поверхностей до и после усадки соответственно составляли 796 и 813 м2/г, тогда как объем пор понижался от 3,90 до 0,66 см3/г, а диаметр пор уменьшался от 20 до 3,2 нм [2].

Структура

Аэрогели относятся  к классу  материалов, в которых  полости занимают не менее 50% объема. Как правило, этот процент достигает 90-99, а плотность составляет от 1 до 150 кг/м³. Структуру аэрогеля образуют сферические кластеры из кварца диаметром примерно 0,004 мкм, формирующие трехмерную сетку, поры которой заполнены воздухом. Размеры пор в десять и более раз превышают размеры кластеров, что и позволяет получать очень легкий материал. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2-5 нм и пор размерами до 100 нм[3].

Аналогия: поролон или пенопласт. Таким образом, хотя аэрогель классифицируется как твёрдое вещество, до 99% его субстанции – это ни что иное как газ. Однако, по словам учёных, в силу наноразмеров внутренней структуры подобных веществ – пор и "перегородок", одного кубического сантиметра аэрогеля было бы достаточно, чтобы, будучи "развёрнутыми", эти самые "перегородки" покрыли площадь футбольного поля.

 

 

Свойства аэрогелей

• На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твердую пену;
• При сильной нагрузке аэрогель трескается, но в целом это весьма прочный материал — образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса(рис 1.2);

 

 

Рис 1.2. Блок аэрогеля выдерживает вес кирпича, который в 2000 раз больше его собственного веса:

• Аэрогели, в особенности кварцевые — хорошие теплоизоляторы(рис 1.3);

Рис 1.3.Аэрогели –хорошие теплоизоляторы

 

• Они также очень гигроскопичны;
• По внешнему виду аэрогели полупрозрачны;
• Плотность достигает всего 0,3 – 0,03г/см³(во много раз легче пуха);
• Эффективные поглотители солнечного света (показатели преломления 1,006 до 1,060; длина поглощения при λ=400нм более 400см);
• Абсорбируют токсичные тяжёлые металлы, например, халькогель сорбирует 99.9% ртути из раствора и всего лишь 40% цинка.
• Этот материал самый лёгкий из твёрдых материалов.
• Также у него высокая акустическая изоляция - показатель скорости звука через аэрогель достигает только 100м/сек.
• Площадь одной унции аэрогеля сравнима с площадью десяти футбольных полей[4].

 

Виды аэрогелей

• кварцевые аэрогели: плотность=1,9 кг/м³ (в 500 раз меньше плотности воды), пропускают солнечный свет, но сильно поглощают тепловое излучение, имеют низкую теплопроводность (0,003 Вт/(м·К)),температура плавления составляет 1200°C;
• «халькогели» (chalcogels),получают, заменив в составе классических аэрогелей кислород серой или селеном, что позволяет пористой структуре аэрогеля более предпочтительно связываться с токсичными металлами, в том числе и ртутью.
• углеродные аэрогели: электропроводны и могут использоваться в качестве электродов в конденсаторе обладают большой площадью внутренней поверхности (до 800 м²/грамм); за счет этого углеродные аэрогели нашли применение в производстве суперконденсаторов ёмкостью в тысячи фарад. Отражают всего 0,3% излучения в диапазоне длин волн от 0,25 до 14,3 мкм, что делает их эффективными поглотителями солнечного света;
• кремнезёмные аэрогели из оксида алюминия с добавками других металлов используются в качестве катализаторов[5].

Способ производства

Типичный способ производства аэрогеля - извлечение жидкой фазы геля путём закритической сушки, то есть, высушивание при температуре и давлении, превышающих критические для данного вещества. Таким образом удаётся медленно отвести жидкость, не нарушая при этом матричную структуру твёрдой фазы, без коллапса капилляров, как это происходит в случае обычного испарения.

В целом процесс  производства аэрогелей сложен и трудоемок. Сначала при помощи химических реакций, гель полимеризуется. Эта операция занимает несколько суток и на выходе получается желеобразный продукт. Затем  спиртом из желе  удаляется вода. Полное ее удаление – залог успешности всего процесса. 

Ван Нордстранд и  Крегер отметили эффекты спекания и измельчения аэрогеля при сопоставлении с ксерогелем. Они использовали измерение изотерм низкотемпературной адсорбции азота, чтобы проследить за изменением структуры такого геля. Спекание в вакуумных условиях вызывало пропорциональное понижение адсорбции при всех значениях давлений. Аэрогель прежде всего терял свои наиболее крупные поры. Измельчение аэрогеля, очевидно, ведет к достаточному диспергированию структуры, что способствует появлению больших микропор или пустот между отдельными фрагментами геля в результате помола. Когда р/р0 приближается к 1,0, количество адсорбированного азота бесконечно возрастает, так что не представляется возможным найти определенное значение объема пор.

Уайт и Уилсон запатентовали аэрогели с высокой прозрачностью, пригодные для термоизоляции. Такой аэрогель должен быть исключительно чистым (с содержанием менее чем 0,01 % примесей металлов), чтобы не происходил рост частиц при получении геля.

          В других модификациях способа получения аэрогеля к кислому золю в смеси этанол—вода добавляют мочевину, чтобы вызвать разложение с образованием аммиака и получить нейтральный продукт. Вместо спирта при изготовлении аэрогеля под давлением можно использовать гидрогель в смеси с крезолом, при нагревании которого вначале выпаривается вся вода, а затем крезол. Очевидно, что при такой повышенной температуре поверхностное натяжение на поверхности раздела фаз оказывается настолько низким, что гель испытывает только очень небольшую усадку. Остаточный крезол, вероятно в хемосорбированном состоянии, удаляется нагреванием на воздухе до 800°С.

           Таулли запатентовал органофильный аэрогель с улучшенной способностью к диспергированию в органической среде. Автор нагревал полученный аэрогель под давлением в присутствии паров спирта, которые могли покрывать поверхность геля этоксигруппами, хотя природа органической добавки в продукте не была ясна. Прозрачные кремнеземные аэрогели с очень низкими значениями кажущейся плотности в области 0,18— 0,35 г/см3, согласно данным Тейшнера и др., оказались подходящими при изучении эффекта Черенкова для частиц с высокими энергиями, получаемых на протонном ускорителе. Аэрогели с такими низкими плотностями получали гидролизом этилсиликата в спирте с минимальным содержанием воды с удалением паровой фазы при температуре выше критической. Некоторые разновидности полученных прозрачных аэрогелей имели удельную поверхность 1000 м2/г (что соответствует диаметру частиц кремнезема всего лишь 20—30 А), объем пор 18 см3/г и кажущуюся плотность 0,05 г/см3. Смесь, состоящую из метилортосиликата Si(OCH₃)₄ в метаноле (10 % по объему), уксусной кислоты с концентрацией 0,175 н. и воды (4 моль воды на 1 моль сложного метилового эфира), нагревали в автоклаве до 250°С (критическая температура СНзОН равна 242°С). Пары удаляли в вакуумных условиях и охлаждали аэрогель в атмосфере азота. На использование низших спиртов от метилового до бутилового в таком способе был получен патент.

   Николаон и Тейшнер описали методы приготовления и превращения гидрогелей в спиртовые гели, механическую и термическую стабильность и химическую структуру аэрогелей. Аэрогель, вероятно, является наиболее легким (с наименьшей кажущейся плотностью) связанным твердым веществом, которое вообще можно приготовить[6].

Недостатки  Аэрогеля

На данный момент времени  технология изготовления аэрогеля остаётся дорогостоящей. Также его распространение  в качестве теплоизолятора сдерживает факт недостаточной прозрачности-аэрогель пока имеет слегка жёлтый цвет на светлом фонеи светло-голубой на чёрном.

Поэтому сейчас учёными  решаются две основные задачи. Первая – довести уровень прозрачности аэрогеля до максимума. Вторая -  удешевить технологию его производства[7].

 

Применение

В черенковских радиаторах: как известно, черенковское излучение возбуждается в веществе заряженной частицей, если ее скорость превышает в нем скорость света, которая обратно пропорциональна показателю преломления вещества. Последний зависит от плотности вещества, которую в аэрогеле можно варьировать в широких пределах путем изменения его пористости.

Физика  низких температур. Аэрогель оказался очень эффективным инструментом при исследовании свойств сверхтекучего гелия. Введение в поры аэрогеля сверхтекучего гелия привело к существенному изменению его свойств. Особый интерес к "загрязненной" таким образом сверхтекучей жидкости возник в связи с тем, что неизвестно о существовании каких либо веществ, которые бы в ней растворялись. Твердые частички аэрогеля, случайно разбросанные по всему объему жидкости, будучи чрезвычайно малыми, выполняют в ней роль псевдопримесей, концентрацию которых нетрудно изменять в широких пределах, используя аэрогель с различной пористостью, вплоть до 99,5 процента. Это вызвало большой интерес к аэрогелю и появлению фактически нового направления в исследованиях сверхтекучести. Немаловажным обстоятельством при этом является то, что имеется много общего в характере влияния примесей на свойства текучего гелия-3 и сверхпроводящих материалов.

Лазерные  эксперименты. При облучении мишени, состоящей из плотной и легкой среды (аэрогеля), мощным импульсным лазером возникает сильный терморадиационный удар, который приводит к смешиванию этих сред и другим явлениям в месте их соприкосновения. Изучение такого эффекта важно, в том числе, и для объяснения явлений, возникающих при взрыве сверхновых звезд.

Микроэлектроника. Аэрогели обладают самыми низкими диэлектрическими константами, и использование их, например, в качестве изоляционных слоев в многослойных печатных платах позволяет значительно повысить быстродействие электроники.