在中國研究人員的努力下,一種世界上最輕的固體材料——氣凝膠的成本已經大幅降低。
由於其高孔隙率和出色的絕緣效能,氣凝膠長期以來一直被美國國家航空航天局(NASA)等航天機構使用,但生產這種材料的成本一直都很高。
根據美國宇航局網站上的資訊,2005年,美國宇航局航天器上使用的氣凝膠每升價格約為1000美元。隨著合成技術的進步,價格已經下降,但高效能碳化矽(SiC)氣凝膠仍然昂貴,每升價格在幾百到幾千美元之間。
現在中國研究人員表示,他們已經成功地將碳化矽氣凝膠的生產成本降低到每升0.70美元。
在中國,由於規模經濟,氣凝膠的製造成本更低。不過有了這項新技術後,可以以大約百分之一的成本和十倍的速度製造這種材料。
根據研究人員的說法,這是材料可及性的一次飛躍。
單層氣凝膠可以保護人體皮膚免受直接火焰的傷害。現代科技的進步已經將氣凝膠進一步細化為薄膜或噴霧,將其應用範圍擴大到燃料電池和半導體。
該研究小組由中國科學院物化技術研究所的李江濤教授和清華大學材料科學與工程學院的助理教授董巖皓領導,他們透過一種新的燃燒合成技術降低了成本。
該技術涉及矽粉和(PTFE)之間的快速燃燒反應。研究人員將粉末混合物放入反應船中,點燃後,材料在幾秒鐘內達到1800攝氏度,體積膨脹1076%,以每分鐘16升的速度產生海棉狀氣凝膠。
李江濤教授表示:“與化學氣相沉積和碳熱還原等傳統方法相比,這種生產方法同時具有時間效率和成本效益。它還具有工藝簡單、能耗低的特點,因為燃燒反應一旦點燃就能自我維持。”
由此產生的SiC氣凝膠孔隙率高達 99.6%,具有高壓縮性和可逆性。在實驗室測試中,一張 SiC 紙很容易從彎曲和捲曲中恢復過來。
這些氣凝膠在高達1000攝氏度的氧氣氣氛中和1700攝氏度的惰性氣氛(如氬氣)中也能保持其絕緣效能,顯著優於其他輕質絕緣材料,如二氧化矽氣凝膠,後者在700度以上就會失效。
在我國,先進的氣凝膠已經被用於重大的航空航天專案,如“天問一號”任務發動機的隔熱材料、“嫦娥四號”月球探測器的熱電電池和“長征五號”火箭的高溫燃料系統。
李和他的團隊表示,憑藉這一進展,他們為 SiC 氣凝膠的大規模生產和廣泛的工程應用開闢了一條新道路。