氧化铝气凝胶材料制备方法及应用
2020-12-18 17:41:11
氧化铝气凝胶具有具有密度低、比表面积大、结构强度高、热导率低、高温稳定好等性能，以及独特的纳米网络结构，广泛应用于航空航天、能源、化工和冶金等领域。下面小编简要介绍氧化铝气凝胶材料制备方法及应用。
一、氧化铝气凝胶材料制备方法
气凝胶的制备通常需要两个步骤：一是形成多孔网络结构的溶胶一凝胶过程，即溶胶的制备；二是湿凝胶的干燥过程。
气凝胶作为隔热材料测试
1、氧化铝气凝胶制备
氧化铝溶胶的制备按先驱体种类主要分为：铝醇盐法和无机铝盐法两种。
（1）铝醇盐法
铝醇盐法主要分为颗粒法和聚合物法。
（a）颗粒法
颗粒法是在过量水中水解铝醇盐，生成较大颗粒沉淀，然后加入酸碱等电解质为胶溶剂，通过胶溶过程使颗粒表面吸附一定的离子形成双电层，在静电力的作用下形成稳定的氧化铝溶胶。
颗粒法制备的氧化铝气凝胶缺点是：网络结构不稳定，容易受到破坏，且制备的周期较长。
（b）聚合物法
聚合法则是通过加入少量的水控制金属醇盐的水解，使水解的产物直接发生聚合反应，在溶液中通过化学键形成氧化物网络结构，使溶胶直接转化为稳定氧化铝溶胶。
聚合法制备氧化铝气凝胶优点是：性能较好，成品形块性好，强度较高；缺点是：凝胶速度较快往往需要加螯合剂稳定，且成本相对较高。
（2）无机铝盐法
无机铝盐法是在无机铝盐溶液中滴加氨水进行水解，待完全水解生成沉淀后离心或蒸发，将得到的沉淀洗涤多次，接着按照一定的比例加入胶溶剂胶溶，并控制溶胶的pH值以使生成的沉淀重新均匀分散，形成澄清透明的氧化铝溶胶。
无机铝盐法优点是：原料廉价；缺点是：制备的溶胶颗粒较大，凝胶时间较短，制备的气凝胶容易形成粉状，且周期较长。
2、氧化铝气凝胶干燥方法
目前，氧化铝气凝胶主要采用的干燥方法分为：超临界干燥法和非超临界干燥法。
（1）超临界干燥法
超临界干燥法是目前比较成熟的新型干燥技术，主要工艺过程是：在超临界状态下，气液界面消失，表面张力不复存在。超临界流体在从氧化铝凝胶排出的过程当中，不会导致其网络骨架的收缩及结构的坍塌，因而最后可以得到保持凝胶原有结构的块状氧化铝气凝胶。目前国内外大都采用液态CO2和乙醇为干燥介质。
超临界干燥设备
超临界干燥优点是：制备的氧化铝气凝胶具有颗粒状多孔网络结构，耐高温性能优异。缺点是：对设备要求较高，费用也比较昂贵。
超临界干燥后氧化铝气凝胶TEM图
（2）非超临界干燥法
非超临界干燥法分为两种：一种是将氧化铝凝胶陈化之后，用表面张力小的液体置换凝胶中表面张力大的液体，然后于常压或次临界压力下分步干燥而得氧化铝气凝胶。
另一种是将陈化后的氧化铝气凝胶进行烷基化处理，同时水被有机溶剂置换，然后常压下干燥，制备氧化铝气凝胶。
常压干燥对设备要求更为简单；缺点是周期相对较长，且气凝胶结构及性能没有超临界干燥的样品好。
二、氧化铝气凝胶改性
目前，改善氧化铝气凝胶耐高温性能的主要方法是引入添加剂改性处理。添加剂主要有稀土氧化物、碱土金属氧化物、二氧化硅等。
1、二元氧化铝气凝胶
二元氧化铝气凝胶的改性作用主要在于第二相的加入导致氧化铝表面羟基减少进而抑制烧结，提高氧化铝气凝胶的耐高温性能。
（1）稀土氧化物和碱金属氧化物加入，可以降低氧化铝溶胶表面能，提高其高温性能。
（2）二氧化硅加入，在脱羟基过程中形成Si-O-Si或Si-O-Al桥，消除了氧化铝表面的阴离子空穴，提高氧化铝气凝胶的高温稳定性。
2、多元氧化铝气凝胶
目前，研究者采用改进的溶胶凝胶法和超临界干燥技术制备的超细三元NiO/La2O3/Al2O3气凝胶催化剂，不仅保留了氧化铝气凝胶的主要特征，而且随着镍盐和镧盐的加入，气凝胶质量得到提高，氧化铝更容易晶化成型，耐高温性能更好，吸附能力更强。
三、氧化铝气凝胶应用
1、超级绝热材料
氧化铝气凝胶材料具有纳米多孔结构，使其具有更轻质量、更小体积达到等效的隔热效果，用在航空发动机的隔热材料，既起到了极好的隔热作用，又减轻了发动机的重量，另外作为外太空探险工具和交通工具上的超级绝热材料也有很好的应用前景。
氧化铝气凝胶作为超级绝热材料应用于航空航天领域
2、高温催化领域
氧化铝气凝胶是具有高孔隙率、高比表面积和开放的织态结构，在催化剂和催化载体方面具有潜在的应用价值。
氧化铝气凝胶可作为高温催化剂载体材料
3、电化学方面的应用
氧化铝气凝胶可用作高压绝缘材料，高速或超速集成电路的衬底材料，真空电极的隔离介质以及超级电容器。
氧化铝气凝胶潜在应用开发领域
参考文献：1、高庆福，张长瑞，冯坚，氧化铝气凝胶制备工艺研究。
2、周洁洁，陈晓红，胡子君等，热处理对块状氧化铝气凝胶微观结构的影响。
3、沈军，周斌，吴广明等，纳米孔超级绝热材料气凝胶的制备与热学特性。
：李波涛