關于氣凝膠

來源：科邁斯

氣凝膠（aerogel）是由膠體粒子或聚合物分子相互聚集構成的微納多孔網絡結構，并在孔隙中充滿空氣分散介質的一種新型輕質固體材料，具有極低的表觀密度（可低至0.002gcm-3）、高孔隙率（80%-99.8%）、高比表面積（100-2000m2g-1）等特點，從而使其具有良好的阻隔性能、極低的熱導率（0.01-0.04Wm-1K-1）以及高吸附、催化和負載能力等優異性能。因此，氣凝膠有望作為隔熱保溫材料、阻燃材料、隔音材料、高效吸附材料、催化劑載體材料、光學器件及電極能源材料等得到廣泛應用，被視為“未來最具潛力的十大材料之一”。

氣凝膠的分類

根據氣凝膠的骨架組成物質將其分為三類：無機氣凝膠，主要類型有硅氣凝膠和金屬氧化物氣凝膠；有機氣凝膠，該類型使用的前軀體多為間苯二酚-甲醛；碳氣凝膠，在惰性氣氛和高溫的條件下，碳化有機氣凝膠只保留碳骨架結構。

除此之外，根據氣凝膠材料干燥方法的不同，可以分為常壓干燥氣凝膠、冷凍干燥氣凝膠和超臨界干燥氣凝膠三種類型。

關于氣凝膠復合材料

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氣凝膠復合材料簡單易懂來說是氣凝膠+復合結構材料通過工藝變成氣凝膠復合材料。氣凝膠性能最高，但其較低的強度和韌性等限制了材料的廣泛應用。為提高氣凝膠材料的韌性和強度，各種增強材料（金屬/氧化物、纖維、無紡布和薄膜等）與氣凝膠材料進行復合后制得了具有獨特性能的氣凝膠復合材料。

氣凝膠及其復合材料應用

1.氣凝膠在隔熱保溫方面的應用

隔熱材料（即熱絕緣材料）可以對熱量傳遞有很好的阻隔作用，是一類阻礙熱傳遞的功能性材料。該材料被廣泛應用于建筑領域。氣凝膠可以被用作隔熱板應用在建筑物的外墻，起到保溫的作用。氣凝膠隔熱材料的使用既不會增加建筑外墻的厚度，還可以節省建筑材料，降低建筑成本。除此以外，氣凝膠還可以對氣體運輸管道進行隔熱和保溫，對管道起到保護的作用。

2.氣凝膠在聲學方面的應用

氣凝膠具有很低的密度，可以使得聲波在氣凝膠中的傳播速率大大降低，二氧化硅氣凝膠的密度為0.2g/cm3，聲波在氣凝膠中的傳播速率為100m/s。除此以外，氣凝膠的質量較輕，而且無污染，是一種非常好的吸聲材料，被廣泛應用到建筑領域。在城市中的住房和工廠的建設中使用氣凝膠材料，氣凝膠可以吸附城市噪音以及工廠中生產制造的噪音污染。

3.氣凝膠在電學方面的應用

氣凝膠的介電常數較低而且具有可調控性，因此，氣凝膠可以作為襯底材料用于集成電路中。一般來說，襯底材料所具有的介電常數與電子的運算速率成反比，即介電常數越大，運算速率越慢。氣凝膠材料的介電常數較小，可以有效提高電子的運算速率。比如，二氧化硅氣凝膠的介電常數很低，僅1.008C2/(N·M2)，以此作為襯底材料，可以使得電子的運算速率達到很快的速度。而且，氣凝膠是一種電絕緣材料，避免了電路漏電的可能。除了以上的應用領域以外，氣凝膠材料也被廣泛應用到了光學方面和化學催化劑載體方面等。

4.氣凝膠在水處理方面的應用

氣凝膠是一種多孔材料，具有許多優異的特性，如密度較低，大的比表面積和高的孔隙率等。這些特性的存在使得氣凝膠可以作為吸收水資源中的化學污染品的材料來使用，優點在于，氣凝膠材料不僅不會對水資源造成污染，又能快速的清理污染品，清潔水質，而且價格低廉。

5.氧化物及其復合氣凝膠

氧化物氣凝膠屬于氣凝膠領域較成熟的種類，通常采用醇鹽或鹽類作為前驅體，采用酸堿兩步催化方法制備而成，兼具氧化物及氣凝膠兩者的特性，在氧化物原有優良性能的基礎上附加了輕質、高孔隙率、高比表面積等特性，拓展了氧化物氣凝膠材料的應用領域。目前，氧化物氣凝膠研究較多的主要是SiO2、TiO2、ZrO2和Al2O3氣凝膠及復合氣凝膠。

6.碳化物及其復合氣凝膠

碳化物是一種高硬度、高熔點和化學性質穩定的化合物，一般通過原位生成法制得，在制備過程中控制工藝參數將碳化物制成氣凝膠結構，可提升氣凝膠材料的使用溫度，進而拓展在高溫領域的應用，如航天航空、高溫窯爐、核能等領域。

7.氮化物及其復合氣凝膠

氮化物氣凝膠是一種新型的無機氣凝膠，目前的研究主要集中在Si3N4氣凝膠和BN氣凝膠，還涉及了少量其他氮化物氣凝膠的研究，如C3N4氣凝膠和氮化釩(VN)氣凝膠。將氮化物材料制備成多孔氣凝膠結構，將兼具氣凝膠與氮化物的優異特性，這對于拓展氮化物材料的應用具有十分重要的意義，但是國內外對于氮化物氣凝膠的研究尚處于基礎階段，該類氣凝膠的研究仍有較大發展空間。

8.聚合物基有機氣凝膠

聚合物基有機氣凝膠是以高聚物分子通過與膠體粒子之間以氫鍵或范德華力相結合而形成的具有多孔網絡結構的有機化合物與傳統的無機氣凝膠相比，有機氣凝膠性能主要取決于聚合物種類，因此聚合物基有機氣凝膠具有靈活的設計性和性能可調性。聚合物基有機氣凝膠主要有聚氨酯(PU)、聚脲(PUA)、聚酰亞胺(PI)等研究較多的聚合物基有機氣凝膠，隨著研究的深入還出現了間規聚苯乙烯(sPS)、聚間苯二胺(PmPD)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚酰胺(PA)、聚吡咯(pPy)等其他聚合物基氣凝膠的研究報道。

9.石墨烯氣凝膠

石墨烯氣凝膠(GA)又稱石墨烯泡沫、石墨烯海綿或者石墨烯宏觀結構體。除了具有C氣凝膠的一系列優異特性外，GA還因構筑單元優異的理化性能而具備大孔結構和超彈性等獨特性能，進而成為當下研究的熱點。

10.量子點氣凝膠

將量子點(QDs)引入氣凝膠，能夠得到既具備QDs良好光學、催化性能，同時具備氣凝膠吸附、傳感、隔熱保溫等特性的量子點氣凝膠。量子點氣凝膠作為一種新興技術材料，其優異的性能將迅速成為研究熱點。下面將從催化、傳感、電池、生物成像以及熒光等應用領域分別介紹量子點氣凝膠的研究現狀。

11.生物質基有機及C氣凝膠

繼氧化物、碳化物、氮化物等無機氣凝膠和聚合物基傳統有機氣凝膠的研究之后，生物質基有機氣凝膠憑借原料的分布廣泛和獲取方式簡易等優勢而受到極大的關注。同時，生物質基原料往往綠色無毒，普遍具有生物相容性、生物可降解性等特點，這極符合當前綠色化學理念。

氣凝膠材料目前存在問題及發展方向

1.形成機制有待進一步研究。

雖然碳化物、氮化物、量子點、生物質基有機及碳氣凝膠等新型氣凝膠材料已經得以成功制備，但是此類氣凝膠材料合成機制研究尚不夠深入，同時氣凝膠網絡結構生長機制、表面組成及化學結構調控和高溫結構穩定性調控等需要進一步研究，后期需要將目光集中在量子化學及分子動力學計算和實驗研究相結合上，實現從分子、原子層面對氣凝膠材料的形成機制進行深入研究和對氣凝膠材料的性能進一步優化調控。

2.功能型氣凝膠材料的研究有待繼續深入。

氣凝膠在電極材料、半導體材料、磁性材料等方面的應用研究還不夠完善，有關結構和性能關系的研究尚不深入，需要進一步研究其內在機制，揭示性能和結構之間的關聯，同時高性能、多功能型氣凝膠材料還有待對氣凝膠材料的性能進一步開發。

3.規模化生產問題還未解決。

在工業生產方面，氣凝膠因成本較高、施工不易限制了其規模化應用，需要采用成本更加低廉的前驅體，結合成本更低的干燥手段，使生產工藝得到完善，進一步降低氣凝膠材料的成本，推動氣凝膠的工業化生產。只有這樣，氣凝膠材料才有望在今后成為推動社會發展變革的超級材料，為人類的生活帶來真正意義上的革新。

參考資料：

[1]吳曉棟,宋梓豪,王偉,崔藝,黃舜天,嚴文倩,馬悅程,趙一帆,黃龍金,李博雅,林本蘭,崔升,沈曉冬. 氣凝膠材料的研究進展[J]. 南京工業大學學報(自然科學版), 2020, 42(04): 405-451.

[2]郎咸華. 氣凝膠復合材料的制備以及性能研究[D].青島科技大學,2018.