块体气凝胶新型通用合成方法凝胶化机理的实验论证与计算模拟

纳米多孔气凝胶是一类兼具宏观特性和小尺寸效应的超轻质固态材料，在民用、航空与国防等领域有特殊应用。无机分散溶胶凝胶法作为一种新兴的通用合成方法，解决了多族多周期气凝胶的制备难题。本项目在发展无机分散溶胶凝胶法的基础上，对比多种方法合成气凝胶的特性，实验探索关键的表面活性剂聚丙烯酸的多重效应，并分解溶胶-凝胶过程，揭示其凝胶化机理；基于分子动力学或第一性原理的计算技术模拟聚丙烯酸长链分子/金属离子复杂胶体系统的空间与电子结构关系，构建凝胶生长的理论模型；应用凝胶化机理，通过调整水解与缩聚条件、调控胶粒成核与生长模型、优化后处理参数等方式实现对多族多周期元素氧化物气凝胶的微结构控制；拓展凝胶化机理，研究多聚硅酸链与多聚钽氧链等多种无机长链分子与金属离子之间的相互作用机制，建立活性链状高分子在胶体体系中的普适理论。

纳米多孔气凝胶是一类兼具宏观特性和小尺寸效应的超轻质固态材料，在民用、航.空与国防等领域有特殊应用。无机分散溶胶凝胶法作为一种新兴的通用合成方法，解决.了多族多周期气凝胶的制备难题。本项目在发展无机分散溶胶凝胶法的基础上比较合成Cr2O3(添加与不添加PAA)气凝胶制备，分析各过程的反应机理，揭示聚丙烯酸的多重效应，建立胶粒生长与配位环境的影响机制；对无机分散溶胶凝胶法凝胶化机理和物理性质进行计算模拟，揭示聚丙烯酸与离子的相互作用机制；多族多周期元素氧化物气凝胶微结构控制，完善微结构控制理论；无机分散溶胶凝胶法机理扩展，采用其它链状无机物为模板研究复合体系的凝胶化机理。项目中，通过对Cr2O3和CuO气凝胶的无机分散溶胶凝胶法制备机理的系统研究，揭示了PAA作为凝胶引导剂和位阻剂对凝胶过程的作用机制，并对气凝胶的一系列物化性质进行了表征、分析。同时，分别采用DFT和DLCA两种不同计算模拟方法分别从不同的尺寸范围研究了不同分子量级之间颗粒的相互作用过程。在系统分析凝胶机理的基础上，将DIS法应用到多周期多主族金属氧化物气凝胶的合成(Li、Mo、Ta等)，并成功实现了微结构调控。探索多聚硅酸，聚酰胺类活性高分子与PAA相似的凝胶机制，并成功制备了低密度、高均匀度的CuO/SiO2、TiO2/SiO2、聚酰亚胺二氧化硅交联等多种二元复合气凝胶。此外，通过DIS法制备的铜基凝胶为模板，通过原位醇热还原制备单质铜气凝胶，并对整个还原过程中的反应机理和PAA对最终样品的影响机制进行了初步拓展性研究。.本课题在获得DIS法机理的基础上，通过关键参数，实现了对凝胶微结构的控制，并参考DIS法的凝胶化机理，拓展了DIS法其它无机高分子链对凝胶的分散机理，提出了DIS法制备多周期多主族微结构可控的普适理论。