逐层凝胶法制备密度渐变SiO2 气凝胶及界面研究

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1、中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn逐层凝胶法制备密度渐变SiO2气凝胶及界面研究归佳寅，周斌*，杜艾，钟艳红，张志华，吴广明，沈军上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室，同济大学，上海(200092)E-mail:guijy@126.com摘要：以正硅酸乙酯（TEOS）为有机硅源，配制不同密度的溶胶，经逐层凝胶工艺结合33CO2超临界干燥技术，获得50mg/cm~200mg/cm的密度渐变SiO2气凝胶。采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线相衬成像等手段对制备获得的SiO2气凝胶进行了测试表征。重点研究了不同密度

2、层间界面的情况，发现相邻两层SiO2气凝胶颗粒堆积的紧密程度不同，在界面处存在一定的互扩散。进一步对连续密度梯度SiO2气凝胶的制备提出了展望。关键词：密度渐变；SiO2气凝胶；逐层凝胶；层间界面中图分类号：O648文献标识码：A1引言气凝胶作为一种新型轻质纳米多孔材料，具有密度低、比表面积大、孔洞率高等特点，[1]在催化、节能、新材料、军事，特别是航天特殊材料等领域有着广阔的应用前景。气凝胶材料一般都是通过传统的溶胶—凝胶工艺，结合一定的干燥技术制备获得的，采用该传统工[2-3]艺所制备的都是单一密度的气凝胶。由于气凝胶的许多物理性质都是密

3、度（ρ）的相关量，如折射率（n）、孔隙率（P）和介电常数（k）等，因此，如果一个材料可实现密度梯度变化，就可以实现它的折射率、孔隙率、介电常数以及声阻抗等性能的梯度变化，以实现功能的梯度变化，从而大大拓宽单一密度气凝胶材料的应用领域。密度梯度SiO2气凝胶最先被报道应用于美国航天局“星尘计划”。2006年美国“星尘号”太空船顺利返航，采用高透明、高纯度密度梯度SiO2气凝胶空间粒子捕集器，实现了速度为10km/s的彗星尘埃在气凝胶内的“软着陆”并嵌在其中，成功完好地带回了彗星尘埃粒子，[4-7]使得具有密度梯度分布的气凝胶材料引起人们的广泛关

4、注。密度梯度气凝胶在航天的空间粒子捕获、惯性约束聚变实验的冲击波特性研究、声阻抗梯度匹配应用、特殊光学元件（折射率梯度）材料等领域有广泛的应用前景。尤其在空间探测领域，密度梯度气凝胶具有迫切的应用需求。目前只有美国的NASA报道成功制备了连续密度梯度SiO2气凝胶，但制备的[8-11]具体细节尚处于保密阶段。要实现连续密度梯度气凝胶的制备还有很多技术上的困难，如连续密度梯度溶胶的获得、不同密度溶胶共凝胶、溶胶间的互扩散、制备装置等。本文在自建的凝胶装置上采用逐层凝胶法制备了密度渐变的SiO2气凝胶，对界面、凝胶等特性进行了相关研究，同时也对连

5、续密度梯度SiO2气凝胶的制备及装置提出了设想和展望，为逐步实现准连续密度梯度及连续密度梯度SiO2气凝胶的制备创造条件和技术储备。2实验2.1SiO2溶胶的制备以TEOS为有机硅源，采用一步催化Sol-Gel工艺配置一系列不同目标密度的SiO2溶胶。在室温条件下，将TEOS和乙醇按一定的比例混合，并逐滴加入适量的去离子水，充分搅拌后制备获得SiO2溶胶。通过改变各反应物的配比，主要控制TEOS和乙醇的体积比变化（1:331~1:6）即可制得一系列不同目标密度（50mg/cm~200mg/cm）的SiO2溶胶。2.2逐层凝胶法-1-中国科技论

6、文在线http://www.paper.edu.cn图1为自建密度渐变气凝胶制备装置示意图。其中A为低目标密度溶胶，B为高目标密度溶胶。液体转移装置采用可精确定量控制抽速的蠕动泵，成型装置为一活塞式模具。低密度溶胶逐渐由蠕动泵不断抽入高密度的溶胶中，不断混合搅拌的同时，混合液连续不断注入模具中。调节从A抽入B中的速度和从B抽入模具中的速度，使B中的混合液缓慢减少。当A中的低密度溶胶完全抽完，B中的溶胶也抽完。凝胶化过程将连续进行，最终获得具有连续密度梯度的SiO2气凝胶。图1自建密度梯度气凝胶制备装置示意图A—低目标密度溶胶,B—高目标密度溶

7、胶采用该自建装置进行逐层凝胶密度渐变SiO2气凝胶的制备。首先将一步法所配置的一系列不同目标密度的SiO2溶胶分别与适量的氢氟酸混合，然后通过蠕动泵在特殊的成型模具中率先注入最高目标密度的SiO2溶胶，待其凝胶后再注入次高目标密度的溶胶。不断重复该过程，按所配置溶胶目标密度的大小顺序依次静置于特殊成型模具中逐层凝胶。图2为逐层凝胶法的制备流程图（其中ρ为最高目标密度溶胶，ρ为最低目标密度溶胶）。AB图2逐层凝胶法的制备流程图在逐层凝胶制备工艺中，控制凝胶时间和溶胶注入时机对控制互扩散和凝胶间紧密结合尤为重要。如果加入时间过早，下层溶胶尚未凝好

8、，此时加入上层溶胶会造成上下层凝胶界面的不平整，甚至导致上下两层溶胶相互混合。如果加入时间过晚，下层溶胶已完全胶凝，此时加入上层溶胶会导致上下层凝胶间结合不够紧密，