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摘 要

炭气凝胶是一种新型的纳米材料，它的特殊性能体现在它拥有大比表面积、高孔隙率以及密度范围广等，其结构是罕见的三维网络结构，且这种网络结构可以自行在纳米尺度范围内控制和裁剪。炭气凝胶还具备生物机体相容性，因此在医药领域常被用来制造人造器官以及人造器官组件等。通过对文献以及书刊的查阅，再加上对网络资源的充分利用，简单的阐述了炭气凝胶的制备方法、性能以及它在不同领域的应用，分析探讨了炭气凝胶目前存在的缺陷，争取找到解决措施。

关键词：炭气凝胶，纳米材料，生物机体相容性

Abstract：Carbon aero gels are a kind of new nanometer materials, its special performance has a large specific surface area, high porosity and density range, etc. Its structure is a rare three-dimensional network structure and the network structure will be allowed to control and cut in the scope of the nanometer scale. Carbon aero gels have biological compatibility, therefore they are often used to create artificial organs and artificial organs components in the field of medicine, etc. By surfing the books and the Internet, simply expound the preparation of carbon aero gels and their properties. The article also contains the application of carbon aero gels in different fields, analyzes the problems that carbon aero gels exist. At the same time people try their best to find the solutions of the problems.

Keywords：carbon aero gel, nanometer materials, biological compatibility

目录

1 前言 3

2 炭气凝胶的制备 4

2.1 溶胶-凝胶过程 4

2.2 老化过程 4

2.3 凝胶的干燥过程 5

2.4 炭化 7

2.5 表征 7

3 炭气凝胶的性能研究 7

3.1 微结构性能 7

3.2 机械性能 8

3.3 导热性能 8

3.4 光学性能 8

3.5 导电性能 8

3.6 吸附和催化性能 8

4 炭气凝胶的应用 9

4.1 炭气凝胶在电化学方面的应用 9

4.2 炭气凝胶在隔热方面的应用 9

4.3 炭气凝胶在贮藏方面的应用 9

4.4 炭气凝胶在环保方面的应用 9

4.5 炭气凝胶在催化方面的应用 10

4.6 炭气凝胶在其他方面的应用 10

5 炭气凝胶的发展前景 10

结 论 10

参 考 文 献 11

致 谢 13

1 前言

“炭气凝胶”是一种新型的纳米材料，它的特征体现在它的大比表面积、高孔隙率、以及广泛的密度范围等，与传统的多孔材料活性炭以及活性炭纤维相比，它的结构和性能更加独特，具体表现为中孔比较丰富、中孔孔径易于裁剪以及优异的导电性能等。有科学家曾预测，如果电极材料选用炭气凝胶的话，那么制成的超级电容器具备的容量以及功率密度都较高的。在日常的生产生活中，炭气凝胶独特的电学、热学、催化性能致使其在军事、航天、能源、医药等方面都拥有不可小视的应用前景。

炭气凝胶制备成功的首要条件是要形成有机气凝胶。有机气凝胶最早出现于1989年，由美国国家实验室等人采用间苯二酚和甲醛作原料，经过溶液-凝胶、超临界干燥等过程制备而成。有机气凝胶的孔隙率为，典型孔隙尺寸为，网络胶体颗粒尺寸为，比表面积为,密度范围为。虽然炭气凝胶的性能比较优良，但是其在制备过程中，对超临界干燥这一过程的要求比较严格，必须要在高温高压下才能得以进行，可想而知这一过程具有一定的危险性，而且制备所需时间较长、成本也较高，因而在一些方面限制了炭气凝胶的发展。

本文结合作者的研究方向，总结了炭气凝胶的制备方法、性能应用以及发展前景。

2 炭气凝胶的制备

炭气凝胶的制备可以简单的分为三步，首先是形成有机湿凝胶，再借助超临界干燥将凝胶孔隙中所含的水分清除掉，从而得到干凝胶。最后对干凝胶进行炭化就能制成新型纳米材料—炭气凝胶。

2.1 溶胶-凝胶过程

制备炭气凝胶的首要条件就是得先在体系中形成凝胶。而且不管是从溶胶出发，还是从溶液出发，要想获得凝胶就必须确保胶粒间的相互作用力足够强，能够抵制胶粒和溶剂间的相互作用力。溶胶-凝胶的形成隶属于聚沉过程，凝胶形成之后，凝胶体系只是暂时失去了聚结稳定性，动力稳定性仍然保有，并且无沉淀，这几点是完全聚沉不具备的，

最初溶胶-凝胶工艺是通过胶体粉末溶胶的凝胶化来实现的，之后随着生产技术的成熟化，人们发现可以通过控制反应条件，借助化学反应生成溶胶。溶胶-凝胶法的好处在于它所需的反应条件比较温和，正常情况不需要高温高压，对设备的要求也不高，制得体系的均匀性较好，产品纯度也较高；而且可以通过改变溶胶-凝胶的过程参数来裁剪和控制材料的结构等。

2.2 老化过程

虽然凝胶在溶胶-凝胶过程当中就已经形成，但是当凝胶孔内仍然充有液体时，凝胶的结构和性质则继续发生着变化，结构上最为明显的变化就是凝胶的孔径比先前大大增加了、网络结构也比之前粗很多，同时伴随着还有逐渐降低的比表面积，这就是凝胶的老化过程。而分子间的桥键数目却随着凝胶的形成而逐渐增加。在老化过程中，凝胶将会发生缩聚、离浆收缩和粗化等变化。

凝胶的老化变化过程如下图所示：

图1：凝胶老化过程中微结构的变化图

凝胶的老化随老化时间、温度以及PH值的变化而变化。老化的时间越长得到的气凝胶的孔隙就越大，但是值得注意的是，老化时间不宜过长，如果时间太长，将会大大降低气凝胶的比表面积。同样老化的温度也不能过高，太高会增加气凝胶的密度，降低其比表面积。老化后的凝胶比表面积虽然比较低，但是其韧性却大大提高了，因此拥有较高的孔容积。

2.3 凝胶的干燥过程

溶胶-凝胶过程中的剪裁、控制材料结构等一般可以采取低温化学手段，但是溶胶-凝胶工艺在制备气凝胶时，最值得重视且最困难的一步就是凝胶的干燥。因为有机气凝胶具有极低的密度、极高孔隙度等特点，若应用常规的加热干燥将会使凝胶体积收缩干裂成碎块，理由是气液界面张力存在和毛细孔中液体的毛细压力存在使孔壁受压、骨架坍塌。为了保证凝胶具有最基本网络结构，一般可以采用超临界干燥、冷冻干燥以及凝胶改变性能后的常压干燥来实现。其中超临界干燥法可以消除凝胶的气液界面，冷冻干燥法可以将溶剂蒸发掉，如果想增大凝胶的孔径可以采取改变合成条件或添加有机改性剂等方法，从而降低毛细张力。

2.3.1 超临界干燥法

超临界干燥法的是把湿凝胶置于高压容器当中，利用干燥物质将炭气凝胶所含的溶剂全部换掉，以此来控制容器温度和压力，达到使凝胶的温度和压力都不高于干燥介质的临界温度和压力。在临界条件下，缓开容器的排泄阀使干燥介质逐渐被释放出来，等凝胶中的溶剂全部被释放出来时，凝胶改称干凝胶，但仍然维持凝胶的原有体积，形成多孔性气凝胶。超临界干燥消除了凝胶中的毛细应力，然而与此同时便出现了随着高压釜的升温，孔内液体的不停扩散导致凝胶网络结构的逐渐扩大的现象，数据表明，如果升温速度偏快会导致炭气凝胶的破裂。在升温过程当中，即使凝胶的脱水收缩变化较小也会产生较大的收缩应力。假如凝胶在高压釜内部移动，一不小心触碰到釜的四壁，收缩应力上涨的幅度将会很大，因此在干燥过程中应尽量避免凝胶在釜内径向流动或者扩散。

常用的干燥介质如下表所示：

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