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第一部分 气凝胶的历史1

1 气凝胶的历史3

1.1 Kistler的开创性研究3

1.2 气凝胶合成化学的进一步研究6

1.3 气凝胶表征技术与其应用发展8

1.4 气凝胶最新进展11

参考文献12

第二部分 材料与加工：无机物-SiO2基气凝胶23

2 SiO2气凝胶25

2.1 详细工艺25

2.1.1 溶胶-凝胶合成25

2.1.2 老化28

2.1.3 干燥28

2.1.4 合成的灵活性32

2.2 SiO2气凝胶主要性能与应用34

2.2.1 织构34

2.2.2 化学性质36

2.2.3 物理性能与相关应用37

2.3 结论41

参考文献42

3 疏水SiO2气凝胶：合成、性能与应用评述54

3.1 前言54

3.2 气凝胶制备工艺55

3.2.1 湿溶胶凝胶的形成55

3.2.2 湿凝胶的干燥57

3.3 疏水气凝胶63

3.3.1 什么是气凝胶疏水63

3.3.2 我们如何测量疏水性66

3.4 文献综述69

3.4.1 共前驱体法评述75

3.4.2 硅烷化方法评述76

3.4.3 干燥方法对疏水性的影响78

3.5 应用78

3.5.1 环境清理与保护78

3.5.2 生物应用79

3.5.3 超疏水表面80

3.6 结论80

参考文献80

4 超疏水与弹性气凝胶87

4.1 前言87

4.2 合成与表征88

4.2.1 溶胶-凝胶合成与超临界干燥89

4.2.2 材料表征90

4.3 水-表面相互作用93

4.3.1 水滴滑动95

4.3.2 液体弹珠：超疏水气凝胶包覆的水滴95

4.4 力学与弹性性质96

4.4.1 合成参数对材料弹性的影响98

4.4.2 机械阻尼的应用潜力101

4.5 碳氢化合物吸附行为101

4.5.1 吸附能力102

4.5.2 脱附率103

4.5.3 气凝胶的过程可逆性和重复使用105

4.5.4 经济因素106

4.6 总结106

参考文献107

5 常压干燥硅酸钠基气凝胶110

5.1 前言110

5.1.1 SiO2气凝胶110

5.1.2 为什么使用硅酸钠111

5.1.3 常压干燥的必要性112

5.1.4 表面化学改性的必要性112

5.2 硅酸钠基气凝胶的常压干燥制备113

5.2.1 通过溶胶-凝胶路线制备凝胶114

5.2.2 洗涤／溶胶交换／表面改性116

5.2.3 改性凝胶的干燥118

5.3 各种工艺参数对气凝胶理化性质的影响120

5.3.1 溶胶中硅酸钠浓度的影响120

5.3.2 溶胶pH的影响120

5.3.3 老化（ta）效应与洗涤（tw）周期122

5.3.4 所用交换溶剂类型的影响124

5.3.5 硅烷化试剂的使用量和硅烷化处理持续时间的影响125

5.3.6 干燥温度的影响127

5.3.7 关于参数优化的一些注解127

5.3.8 作为隔热材料的SiO2气凝胶128

5.4 结论128

参考文献129

第三部分 材料与加工：无机物-非硅基气凝胶133

6 ZrO2气凝胶135

6.1 前言135

6.2 氧化锆气凝胶的制备136

6.3 制备参数对氧化锆气凝胶织构和结构的影响137

6.3.1 酸浓度的影响137

6.3.2 水解率（H2O/Zr）的影响138

6.3.3 锆前驱体浓度的影响138

6.3.4 超临界干燥温度的影响138

6.3.5 高温或低温超临界获得的氧化锆气凝胶138

6.3.6 与干凝胶相比氧化锆气凝胶的优势139

6.3.7 凝胶老化的影响139

6.4 氧化锆气凝胶的应用140

6.4.1 氧化锆气凝胶和催化140

6.4.2 氧化锆气凝胶和陶瓷146

6.4.3 氧化锆气凝胶和固体氧化物燃料电池147

6.5 结论148

参考文献148

7 TiO2类气凝胶材料的常压制备153

7.1 前言153

7.2 原理154

7.3 聚合物与表面活性剂模板：方法154

7.3.1 混合法模板化155

7.3.2 浸泡法模板化155

7.3.3 类气凝胶材料的制备157

7.3.4 干燥与退火凝胶的表征157

7.4 聚合物与表面活剂模板化：结果157

7.5 结论160

参考文献160

8 无机气凝胶的一种鲁棒合成方法：在溶胶-凝胶合成中使用环氧衍生物163

8.1 前言163

8.2 环氧引发凝胶化的机制164

8.2.1 溶胶形成与凝胶化164

8.2.2 金属离子的水解和缩合165

8.2.3 环氧引发的凝胶化166

8.3 环氧引发凝胶化的气凝胶材料171

8.3.1 金属氧化物气凝胶172

8.3.2 混合金属氧化物和复合气凝胶173

8.4 总结175

参考文献176

第四部分 材料与加工：有机-天然与合成气凝胶181

9 单块和纤维状纤维素气凝胶183

9.1 前言183

9.2 纤维素单块气凝胶184

9.3 纺织应用的纤维素丝195

9.4 结论197

参考文献198

10 纤维素与聚氨酯气凝胶201

10.1 前言201

10.2 聚氨酯气凝胶203

10.2.1 合成203

10.2.2 工艺和材料205

10.2.3 杂化与复合材料209

10.3 纤维素衍生物气凝胶211

10.3.1 合成211

10.3.2 过程与材料214

10.3.3 杂化与复合材料220

10.4 结论220

参考文献221

11 间苯二酚-甲醛气凝胶226

11.1 前言226

11.2 间苯二酚-甲醛化学227

11.2.1 碱催化凝胶化228

11.2.2 酸催化凝胶化229

11.3 通过碱催化路线制备的RF气凝胶230

11.3.1 通过碱催化路线制备RF气凝胶的过程230

11.3.2 影响通过碱催化路线制备的RF气凝胶结构和性能的因素231

11.4 酸催化制备的RF气凝胶233

11.5 酸催化和碱催化RF气凝胶的性能比较236

11.5.1 化学成分236

11.5.2 形貌237

11.6 RF气凝胶的替代途径238

11.7 RF气凝胶的商业应用240

11.8 结论241

参考文献241

12 具有环保特性的天然气凝胶：碳封存与农药捕获247

12.1 前言247

12.2 实验248

12.2.1 样品制备248

12.3 结果249

12.3.1 英石聚集体与合成凝胶间的类比249

12.3.2 超临界干燥251

12.3.3 孔特性和分形结构251

12.3.4 英石土壤中的碳、氮和农药含量253

12.4 讨论254

12.5 结论256

参考文献257

第五部分 材料与加工：复合气凝胶261

13 聚合物交联气凝胶263

13.1 前言263

13.2 通过与聚合物复合解决气凝胶脆性264

13.3 聚合物／溶胶-凝胶复合材料的分类265

13.4 采用预制3D纳米粒子网络的聚合物交联形成Ⅱ类模型2气凝胶267

13.4.1 通过凝胶化后引入单体的交联268

13.4.2 提高气凝胶的可加工性290

13.5 结论293

参考文献295

14 间苯二酚-甲醛／金属氧化物有机／无机互穿网络气凝胶301

14.1 前言301

14.2 RF与金属氧化物网络的共凝胶304

14.3 原生RF-MOx气凝胶、干凝胶和X-RF-MOx气凝胶的材料特性310

14.4 RF与MOx纳米粒子间的反应316

14.4.1 化学变化316

14.4.2 RF-MOx体系在裂解过程中的形貌变化323

14.5 结论323

参考文献325

15 改善聚合物增强气凝胶的弹性330

15.1 前言330

15.2 己基连接的聚合物增强二氧化硅气凝胶333

15.2.1 二异氰酸酯增强的气凝胶333

15.2.2 苯乙烯增强气凝胶337

15.2.3 来源于乙醇溶剂的环氧增强气凝胶339

15.3 烷基三烷氧基硅烷基增强的气凝胶342

15.4 未来的方向346

15.5 结论348

参考文献348

16 含有金属、合金和氧化物纳米粒子嵌入介电基质的气凝胶352

16.1 前言352

16.2 含有氧化物纳米颗粒的气凝胶354

16.3 含有金属和合金纳米粒子的气凝胶365

16.4 结束语375

参考文献376

第六部分 材料与加工：新型气凝胶383

17 硫族气凝胶385

17.1 前言385

17.2 硫族气凝胶的硫解路线：GeS2385

17.3 硫族气凝胶的团簇连接路线387

17.3.1 来自主族硫化物团簇和Pt2＋的气凝胶387

17.3.2 来自MS2- 4（M=Mo,W）离子和Ni2＋（Co2＋）的气凝胶388

17.4 硫族气凝胶的纳米粒子组装路线390

17.4.1 CdS气凝胶390

17.4.2 纳米粒子组装路线在PbS,ZnS和CdSe中的应用：CdSe凝结的氧化效应392

17.4.3 密度和维度对量子限域效应的影响393

17.4.4 优化光电发射特性395

17.4.5 CdSe气凝胶中的形貌控制395

17.4.6 扩展方法：离子交换397

17.4.7 扩展方法：碲化物399

17.5 结论400

参考文献400

18 含有生物聚合物的气凝胶：壳聚糖-SiO2杂化气凝胶403

18.1 前言403

18.2 合成405

18.3 性质407

18.4 化学性质与新型气凝胶材料409

18.4.1 含铁的壳聚糖-SiO2气凝胶410

18.4.2 含有过渡金属的气凝胶化学411

18.4.3 含金的壳聚糖-SiO2气凝胶化学412

18.4.4 纳米区域内化学反应的扩散控制416

18.4.5 壳聚糖-SiO2气凝胶与聚合物和其他物质的黏附416

18.5 结论418

参考文献419

19 光刻各向异性气凝胶421

19.1 前言421

19.2 一般原理422

19.3 基质孔隙内纳米粒子的合成422

19.3.1 红外光刻423

19.3.2 紫外光刻424

19.3.3 X射线光刻425

19.3.4 三维图饰427

19.4 由聚合物光交联的各向异性427

19.5 物理性质430

19.5.1 吸收与发射430

19.5.2 折射率432

19.5.3 力学性能432

19.6 结论433

参考文献433

20 超声催化合成气凝胶：超声凝胶437

20.1 超声凝胶法437

20.1.1 理解空化437

20.1.2 超声凝胶438

20.1.3 超声凝胶过程439

20.1.4 水解的物理化学440

20.1.5 实验方案选择442

20.1.6 超声凝胶的凝胶化442

20.1.7 超声有机改性硅氧烷（Ormosils）445

20.2 结构445

20.2.1 从溶胶到凝胶445

20.2.2 致密的无机超声气凝胶447

20.2.3 轻质超声气凝胶453

20.3 从凝胶到玻璃455

20.4 机械性能457

20.5 超声气凝胶的应用458

20.5.1 生物材料458

20.5.2 用于CO2封存的纳米复合材料458

20.6 结论459

参考文献460

第七部分 性质467

21 气凝胶的结构表征469

21.1 引言469

21.2 结构参数和相关的实验技术469

21.3 显微测试471

21.4 散射技术476

21.4.1 弹性散射477

21.4.2 非弹性散射486

21.5 氦比重法488

21.6 气体吸附孔隙度测定法490

21.7 Hg孔度法（压汞法）500

21.8 热孔度法504

21.9 其他表征方法506

21.10 结论511

参考文献512

22 气凝胶的力学性能表征519

22.1 前言519

22.2 力学性能表征方法520

22.2.1 DSC,DMA及纳米压痕仪520

22.2.2 拉伸、压缩及加载-卸载试验521

22.2.3 蠕变、松弛及恢复试验521

22.2.4 中等到高应变速率下的试验521

22.2.5 超声回声试验522

22.2.6 断裂与疲劳试验522

22.3 原生气凝胶的力学性能表征523

22.4 X-Aerogels的力学性能表征525

22.4.1 动态机械分析526

22.4.2 弯曲模量与强度528

22.4.3 低应变速率下的压缩529

22.4.4 动态压缩536

22.5 结论550

参考文献550

23 气凝胶的热性能556

23.1 气凝胶中传热的一般特性556

23.2 光学厚度气凝胶的等效热导率557

23.2.1 通过固体骨架的传热558

23.2.2 通过气相的传热558

23.2.3 辐射传热562

23.2.4 气凝胶的总等效热导率563

23.3 光性薄气凝胶的传热性质571

23.4 气凝胶粉末、颗粒和气凝胶复合材料的热导率574

23.5 气凝胶的比热577

23.6 结论578

参考文献579

24 气凝胶的原子及介观尺度模拟和建模方法584

24.1 引言584

24.2 原子模型587

24.2.1 基础化学587

24.2.2 低聚反应和凝胶化模拟588

24.3 粗粒化模拟592

24.3.1 硬球凝聚模型593

24.3.2 柔性粗粒化模型595

24.4 结论与展望596

参考文献597

第八部分 应用：能源603

25 气凝胶和溶胶-凝胶复合材料作为纳米结构含能材料605

25.1 前言605

25.2 气凝胶和溶胶-凝胶法加工的纳米含能材料的属性606

25.3 通用溶胶-凝胶纳米结构含能材料607

25.3.1 作为纳米结构含能复合材料的无机气凝胶材料608

25.3.2 气凝胶和溶胶-凝胶复合纳米结构发火材料614

25.3.3 用作纳米结构含能复合材料的有机气凝胶材料619

25.4 小结624

参考文献624

26 超级隔热气凝胶：综述628

26.1 超级隔热：总体需求及建筑领域的特殊需要628

26.1.1 为什么需要超级隔热628

26.1.2 关注建筑物隔热629

26.2 高性能隔热或超级隔热：基础631

26.2.1 热导率数值范围及传热物理631

26.2.2 真空隔热板、真空平板玻璃和气凝胶平板玻璃634

26.3 世界隔热市场概述635

26.4 超级隔热气凝胶及相关组件的现状637

26.4.1 超级隔热SiO2气凝胶637

26.4.2 超级隔热有机气凝胶641

26.4.3 复合材料和杂化材料643

26.4.4 商业化产品644

26.5 基于气凝胶的产品的应用645

26.5.1 离岸油气646

26.5.2 航空和航天应用646

26.5.3 高温647

26.5.4 低温应用647

26.5.5 服装和家电（冰箱系统、户外服装和鞋类）647

26.5.6 进一步考察建筑隔热气凝胶：启动和测试阶段647

26.6 毒性、健康以及环境问题649

26.7 结论649

参考文献650

第九部分 应用：化学与物理655

27 气凝胶作为化学传感器平台657

27.1 引言：为什么采用气凝胶用作传感应用657

27.2 基于二氧化硅气凝胶平台的光学传感器658

27.2.1 气凝胶自身的光致发光改性659

27.2.2 探针核素的共价连接660

27.2.3 探针核素的静电黏附661

27.2.4 探针核素的捕获662

27.2.5 二氧化硅气凝胶用作拉曼散射测量的样品夹持665

27.2.6 二氧化硅复合材料665

27.3 基于气凝胶平台的电导率测试传感器666

27.3.1 二氧化硅气凝胶平台作为电导率测试传感器666

27.3.2 碳气凝胶复合材料用作电导率传感器667

27.4 其他在传感应用方面显示出优势的气凝胶平台667

27.4.1 二氧化钛气凝胶作为传感器平台667

27.4.2 黏土气凝胶用作传感应用668

27.5 总结与将来的方向668

参考文献669

28 用作高能物理研究的透明二氧化硅气凝胶块料672

28.1 引言672

28.2 憎水二氧化硅气凝胶块材672

28.2.1 制备过程673

28.2.2 光学性质674

28.3 气凝胶切伦科夫计数器674

28.3.1 阈值类切伦科夫计数器676

28.3.2 成像环切伦科夫计数器677

28.4 KEK B-factory实验678

28.4.1 目标678

28.4.2 BELLE探测器中的气凝胶切伦科夫计数器678

28.4.3 B-factory的结果679

28.5 其他实验的成绩681

28.6 “松下”二氧化硅气凝胶的规格681

28.7 结论682

参考文献683

29 用于玻璃合成的二氧化硅气凝胶的烧结：应用到核废物密封装置中686

29.1 前言686

29.2 通过溶胶-凝胶过程获得的玻璃688

29.3 密封过程原理689

29.4 二氧化硅气凝胶寄主材料的合成690

29.4.1 部分烧结的气凝胶690

29.4.2 复合气凝胶691

29.4.3 渗透性691

29.5 核玻璃-陶瓷的合成691

29.6 玻璃-陶瓷的表征692

29.6.1 结构692

29.6.2 水腐蚀行为694

29.6.3 核玻璃-陶瓷的力学特性696

29.7 结论697

参考文献698

第十部分 应用：生物医学与制药703

30 气凝胶的生物医学应用705

30.1 引言705

30.2 气凝胶作为心血管植入器件706

30.3 气凝胶用作组织工程基底711

30.4 气凝胶用作药物传递系统713

30.5 在生物医学应用中气凝胶的未来715

30.6 结论715

参考文献715

31 气凝胶的制药应用717

31.1 前言717

31.2 二氧化硅气凝胶用作药物的寄主基质（药物载体）718

31.2.1 通过吸附作用的气凝胶负载718

31.2.2 药物从二氧化硅气凝胶的释放721

31.3 改良气凝胶：官能团对药物吸附和释放动力学的影响723

31.3.1 吸附723

31.3.2 释放动力学723

31.4 采用二氧化硅气凝胶的制药配方726

31.4.1 半固体配方726

31.4.2 固体配方727

31.5 在气凝胶中的药物的结晶和析出729

31.6 气凝胶作为酶类和蛋白质的载体731

31.7 有机气凝胶作为药物传递系统733

31.7.1 药物释放734

31.8 基于生物聚合物的气凝胶用作药物载体735

31.9 结论736

参考文献737

第十一部分v应用：太空和机载741

32 气凝胶在太空探索中的应用743

32.1 前言743

32.2 超速粒子捕获744

32.2.1 最初的有关轨道的研究744

32.2.2 Stardust任务744

32.2.3 提议中的SCIM任务749

32.2.4 非二氧化硅气凝胶751

32.2.5 热量计式气凝胶753

32.3 隔热，绝热754

32.3.1 2003火星探险漫游者754

32.3.2 火星科学实验室756

32.3.3 热电757

32.3.4 高级Stirling放射性同位素产生器762

32.4 低温流体约束763

32.5 结论766

参考文献766

33 机载超声换能器770

33.1 用于超声传感的换能器770

33.2 气凝胶的声学特性772

33.3 超声换能器设计774

33.4 气凝胶声学匹配层的加工776

33.5 气凝胶超声换能器777

33.6 结论782

参考文献782

第十二部分 应用：金属工业783

34 气凝胶用于铸造应用785

34.1 铸造所需模具制备的一般知识785

34.2 模具和核芯的功能要求786

34.3 间苯二酚-甲醛（RF）气凝胶作为黏合剂787

34.4 AeroSand的力学特性788

34.5 RF气凝胶-砂混合物的干燥791

34.6 热分解793

34.7 气体渗透性（透气性）794

34.8 碳气凝胶作为黏接材料796

34.9 气凝胶作为铸造砂的纳米添加剂798

34.10 在固化和浇铸研究中的气凝胶801

34.10.1 形状填充801

34.10.2 气凝胶用作定向凝固805

34.11 结论808

参考文献809

第十三部分 应用：艺术811

35 气凝胶雕塑：一种自由维度的空间艺术813

35.1 艺术家看气凝胶813

35.2 关于艺术的发展和实现814

参考文献830

第十四部分 应用：其他831

36 碳气凝胶的制备和应用833

36.1 前言833

36.2 碳气凝胶的合成835

36.2.1 RF气凝胶的合成835

36.2.2 碳气凝胶的制备836

36.3 碳气凝胶的表征837

36.3.1 扫描电镜（SEM）837

36.3.2 氮吸附测量838

36.3.3 X射线衍射839

36.4 过程控制对碳气凝胶结构的影响841

36.4.1 干燥过程841

36.4.2 高温分解技术（碳化）842

36.5 应用843

36.5.1 电学应用843

36.5.2 氢存储和吸附844

36.5.3 催化剂载体845

36.5.4 作为隔热材料845

36.5.5 其他应用846

36.6 结论846

参考文献846

第十五部分 商用产品855

37 气凝胶材料消费产品的制造以及市场预测与分析857

37.1 前言857

37.2 绝热方案857

37.2.1 目前的隔热材料857

37.2.2 合成革新858

37.3 气凝胶产品的市场机会859

37.3.1 气凝胶产品的革新扩散859

37.3.2 互联网和气凝胶860

37.3.3 产品成本和障碍861

37.4 “短期的绝佳机会”与气凝胶产品862

37.4.1 潮湿及压力下的测试结果863

37.4.2 Wal-Mart中的气凝胶产品863

37.4.3 气凝胶的消费意识864

37.4.4 流行Vs性能865

37.4.5 成本因素866

37.5 在消费市场气凝胶的商业化总结866

参考文献867

38 Cabot公司气凝胶产品：众多应用的通用特性868

38.1 前言868

38.2 Cabot气凝胶868

38.3 历史869

38.3.1 时间线：Cabot领先气凝胶生产869

38.4 应用870

38.4.1 建筑采光870

38.4.2 楼房隔热871

38.4.3 油气管道871

38.4.4 工业和低温应用872

38.4.5 户外装备和服装873

38.4.6 特制化学品和涂料873

38.4.7 个人护理873

38.5 产品874

38.5.1 特性875

38.5.2 绿色材料876

38.6 结论877

参考文献877

39 美洲气凝胶公司：有机气凝胶的商业化878

39.1 前言878

39.2 历史878

39.3 Aerocore描述：小孔面积材料879

39.4 商业化观察882

39.5 结论883

参考文献883

40 纳诺高科气凝胶超级隔热材料884

40.1 关于纳诺高科884

40.1.1 纳诺高科大事记885

40.2 主要产品886

40.2.1 柔软隔热毛毡（FM）886

40.2.2 隔热板（IP）886

40.2.3 隔热用柱形和特制形状部件（CS）887

40.2.4 采光板（TP）890

40.2.5 气凝胶粉末，颗粒（AP）以及块体891

40.3 应用领域和客户893

40.4 研发以及将来的应用894

40.5 结论895

参考文献895

41 OKAGEL：高隔热采光系统897

41.1 前言897

41.2 隔热能力898

41.3 半透明隔热材料899

41.4 二氧化硅气凝胶901

41.5 多功能，高隔热Facade元件902

41.6 应用902

41.7 结论904

参考文献905

第十六部分 结论907

42 结束语和展望909

词汇与缩略语911

名词索引935