氣凝膠誕生于1931年，由KISTLERSS通(tōng)過乙醇超臨界幹燥技術首次制備得(de)出。1999年，美(měi)國Aspens公司成功制備出纖維複合的(de)氣凝膠超級絕熱(rè)材料;2001年正式成立了(le)AspenAerogel公司，并對(duì)氣凝膠進行商業化(huà)運作，由此開啓了(le)氣凝膠材料産業化(huà)浪潮。

　　氣凝膠固體

　　一.氣凝膠材料的(de)結構和(hé)特性

　　随著(zhe)人(rén)們對(duì)氣凝膠材料研究的(de)不斷擴大(dà)和(hé)深入，氣凝膠的(de)結構和(hé)種類也(yě)得(de)到不斷完善。根據氣凝膠材料的(de)成分(fēn)可(kě)大(dà)緻分(fēn)爲：氧化(huà)物(wù)氣凝膠、碳化(huà)物(wù)氣凝膠、氮化(huà)物(wù)氣凝膠、有機氣凝膠、複合氣凝膠等(見表1)。

　　氣凝膠是一種隔熱(rè)性能優異的(de)固體材料，具有高(gāo)比表面積、納米級孔洞、低密度等特殊的(de)微觀結構(見圖1), 因此在隔熱(rè)保溫、吸附分(fēn)離、生物(wù)醫用(yòng)、光(guāng)電催化(huà)、儲能轉化(huà)、吸聲隔音(yīn)等方面表現出優異的(de)性能。

　　因此SiO₂氣凝膠是目前隔熱(rè)性能最好的(de)固态材料，氣凝膠的(de)阻熱(rè)原理(lǐ)在于均勻緻密的(de)納米孔及多(duō)級分(fēn)形孔道微結構可(kě)以有效阻止空氣對(duì)流，降低熱(rè)輻射和(hé)熱(rè)傳導，具體表現爲：

　　(1)無對(duì)流效應。氣凝膠氣孔爲納米級，孔徑尺寸小于分(fēn)子平均自由程，内部空氣失去自由流動能力。

　　(2)無窮多(duō)遮擋闆效應。納米級氣孔，氣孔壁無窮多(duō)，輻射傳熱(rè)降至最低。

　　(3)無窮長(cháng)路徑效應。熱(rè)傳導沿著(zhe)氣孔壁進行，而納米級氣孔壁無限長(cháng)，且接觸面積非常小。

　　二.氣凝膠材料的(de)制備

　　氣凝膠材料的(de)制備過程主要有溶膠-凝膠化(huà)、老化(huà)、改性和(hé)幹燥(見圖2)。其中，溶膠-凝膠化(huà)過程是指前驅體溶膠聚集縮合形成凝膠的(de)過程。由于剛形成的(de)濕凝膠三維強度不夠而容易破碎坍塌，因此需要在母體溶液中老化(huà)一段時(shí)間提高(gāo)強度或者利用(yòng)表面改性減小幹燥應力。幹燥過程即用(yòng)空氣取代濕凝膠孔隙中的(de)溶液并排出。

　　1.溶膠-凝膠化(huà)過程

　　SiO₂氣凝膠是目前研究最多(duō)的(de)無機氣凝膠，其溶膠-凝膠化(huà)過程是矽源通(tōng)過水(shuǐ)解和(hé)縮聚反應，形成具有三維網絡結構的(de)SiO₂氣凝膠，反應機理(lǐ)如下(xià)：

　　Si(OR)₄+4H₂O→Si(OH)₄+4HOR(水(shuǐ)解)(1)

　　nSi(OH)₄→(SiO₂)n+2nH₂0(縮聚)(2)

　　通(tōng)過調節反應溶液的(de)pH、溫度、物(wù)料質量比和(hé)催化(huà)劑類型可(kě)以控制水(shuǐ)解和(hé)縮聚反應的(de)相對(duì)速率，從而調控凝膠結構。

　　2.老化(huà)過程

　　凝膠的(de)老化(huà)指在形成凝膠之後，将凝膠持續浸入含有前驅體的(de)溶劑中，混合溶液中的(de)小凝膠團和(hé)溶膠顆粒進一步聚集并相互黏附，并延伸到整個(gè)凝膠網絡的(de)過程。一般采用(yòng)醇類溶劑和(hé)烷類溶劑洗滌老化(huà)後的(de)凝膠，以便除去孔中剩餘的(de)水(shuǐ)。

　　3.幹燥過程

　　幹燥過程是氣凝膠制備中最關鍵的(de)環節，直接決定制備的(de)氣凝膠材料的(de)性能。氣凝膠材料的(de)密度越低、孔隙率越高(gāo)、孔徑分(fēn)布越均勻和(hé)比表面積越大(dà)，其性能越好。目前主流的(de)幹燥技術路線有超臨界幹燥和(hé)常壓幹燥。

　　(1)超臨界幹燥

　　超臨界幹燥的(de)原理(lǐ)是當溫度和(hé)壓力達到或超過溶劑介質的(de)超臨界值時(shí)，濕凝膠孔洞中的(de)液體直接轉化(huà)爲無氣液相區(qū)的(de)流體，孔洞表面氣液界面消失，表面張力變得(de)很小甚至消失。當超臨界流體從凝膠排出時(shí)，不會導緻其網絡骨架的(de)收縮及結構坍塌，從而得(de)到具有凝膠原有結構的(de)塊狀納米多(duō)孔氣凝膠材料。

　　(2)常壓幹燥

　　常壓幹燥的(de)原理(lǐ)是用(yòng)低表面張力的(de)幹燥介質和(hé)相關的(de)改性劑來(lái)置換濕凝膠中的(de)溶劑，以減小常壓幹燥過程産生的(de)毛細管作用(yòng)力，避免在去除溶劑過程中凝膠發生體積收縮和(hé)結構破壞。相對(duì)超臨界工藝，常壓幹燥的(de)設備成本與能耗成本較低、設備更簡單，但是對(duì)配方設計和(hé)流程組合優化(huà)的(de)要求較高(gāo)，在制備非SiO₂氣凝膠時(shí)尚不成熟。

　　三.氣凝膠材料的(de)應用(yòng)

　　氣凝膠在隔熱(rè)、防水(shuǐ)、防火、耐壓、透氣、隔聲、吸附、使用(yòng)壽命等多(duō)個(gè)維度性能都很優異，在純粹追求性能的(de)前提下(xià)，氣凝膠對(duì)同類材料來(lái)說是“降維打擊”，這(zhè)使得(de)氣凝膠在諸多(duō)領域具有廣泛的(de)應用(yòng)或潛在的(de)應用(yòng)前景。

　　1.航空航天領域

　　輕質高(gāo)效隔熱(rè)材料是航空航天飛(fēi)行器的(de)關鍵熱(rè)防護組件之一，受飛(fēi)行環境影(yǐng)響，航空航天材料需要具備低密度、高(gāo)硬度、耐高(gāo)低溫、低導熱(rè)的(de)特性，而氣凝膠被認爲是理(lǐ)想的(de)輕質高(gāo)效隔熱(rè)材料。

　　此外，航天器的(de)電路也(yě)廣泛使用(yòng)氣凝膠進行隔熱(rè)保護，俄羅斯的(de)“和(hé)平号”空間站也(yě)使用(yòng)氣凝膠實現熱(rè)絕緣防護，我國首個(gè)火星探測器“天問一号”著(zhe)陸發動機，以及我國“祝融号”(見圖3)、美(měi)國“漫步者”和(hé)“探路者”火星車的(de)關鍵電器元件和(hé)線路也(yě)均使用(yòng)氣凝膠防護，以承受-100℃的(de)超低溫。

　　2.國防軍工領域

　　氣凝膠作爲最高(gāo)效的(de)隔熱(rè)材料，一直廣泛應用(yòng)于軍工領域。英國“美(měi)洲豹”戰鬥機的(de)駕駛艙機艙(見圖4)和(hé)印度海軍“INSAri⁃hant”戰略導彈核潛艇的(de)腔體都采用(yòng)了(le)氣凝膠進行保溫隔熱(rè)，以減少傳統保溫隔熱(rè)材料排放的(de)NOx;美(měi)國核潛艇和(hé)蒸汽動力導彈驅逐艦的(de)核反應堆隔熱(rè)系統也(yě)有應用(yòng)NASAAmes研究中心研制的(de)矽酸鋁纖維增強的(de)SiO₂氣凝膠隔熱(rè)瓦。

　　氣凝膠還(hái)可(kě)以作爲飛(fēi)機、艦船/艇、坦克、導彈等的(de)外層材料，起到防輻射、吸收紅外線和(hé)漫反射波實現隐形功能，屏蔽自身電子信号實現反偵察的(de)功能。在水(shuǐ)下(xià)探測中氣凝膠的(de)低聲速和(hé)高(gāo)孔隙超輕質特性使之成爲比較理(lǐ)想的(de)超聲探測器的(de)聲阻耦合材料和(hé)最佳水(shuǐ)聲反聲材料。此外，氣凝膠還(hái)可(kě)用(yòng)于軍用(yòng)保溫帳篷、軍用(yòng)熱(rè)電池等産品。

　　3.能源化(huà)工領域

　　岩棉、矽酸鋁等傳統無機保溫材料容易吸水(shuǐ)導緻保溫失效，聚氨酯等有機絕熱(rè)材料阻燃性差，而氣凝膠不僅導熱(rè)系數低，而且使用(yòng)壽命長(cháng)、不易吸水(shuǐ)、阻燃和(hé)環保。雖然氣凝膠材料較傳統保溫材料的(de)初期投資明(míng)顯更高(gāo)，但其綜合性能優異，持久可(kě)觀的(de)節能收益和(hé)顯著的(de)綠(lǜ)色環保優勢使其成爲一種綜合性價比較高(gāo)的(de)節能産品，廣泛應用(yòng)于能源基礎設施的(de)外保溫中。

　　4.锂離子電池領域

　　锂電池産業近些年發展迅速，然而锂電池的(de)燃燒甚至爆炸安全事故頻(pín)發，研究發現，熱(rè)失控是動力電池安全事故的(de)主要原因。碰撞、針刺、過充、過放等都會引起锂電池熱(rè)失控。阻止熱(rè)失控電芯向電池其他(tā)系統傳熱(rè)是主要解決思路。氣凝膠氈具有防火、隔熱(rè)、阻燃的(de)特性，而且質感柔軟、易于加工，是非常理(lǐ)想的(de)預防材料。

　　目前新開發的(de)氣凝膠玻纖氈能夠将電池包高(gāo)溫耐受能力提高(gāo)至800℃以上，可(kě)以耐受住電池包短路造成的(de)高(gāo)溫能量瞬間沖擊，更好地解決動力電池安全問題。另外，氣凝膠還(hái)兼具隔熱(rè)的(de)效果，能夠滿足電動汽車對(duì)長(cháng)續航、高(gāo)性能和(hé)長(cháng)壽命的(de)要求。

　　5.建築建造領域

　　氣凝膠氈材和(hé)闆材兼具隔熱(rè)、防水(shuǐ)、阻燃、隔聲、環保、輕質、透氣、易降解等優異性能，是建築保溫材料的(de)最佳選擇之一。SiO₂氣凝膠良好的(de)透光(guāng)、絕熱(rè)、防火和(hé)降噪能力，使其在建築玻璃的(de)應用(yòng)也(yě)有明(míng)顯優勢，可(kě)對(duì)傳統的(de)Low⁃E鍍膜玻璃和(hé)高(gāo)層建築幕牆玻璃形成一定替代，幫助建築更好地實現節能、舒适、環境三方面的(de)平衡。

　　6.吸音(yīn)隔聲領域

　　SiO₂氣凝膠的(de)聲阻抗可(kě)變範圍爲103～107kg/(m²·s)，是超聲探測器的(de)理(lǐ)想聲阻耦合材料。此外，SiO₂氣凝膠作爲納米多(duō)孔材料，當聲音(yīn)在SiO₂氣凝膠中傳播時(shí)，聲波在進入SiO₂氣凝膠的(de)納米微孔中後多(duō)次折返、碰撞和(hé)反射，還(hái)會和(hé)納米孔洞中的(de)孔壁、空氣等産生摩擦，都會造成極大(dà)的(de)音(yīn)損，有效延遲聲音(yīn)的(de)傳播。因此，SiO₂氣凝膠可(kě)以作爲很好的(de)隔音(yīn)和(hé)延遲聲音(yīn)傳播的(de)材料。通(tōng)過将SiO₂氣凝膠填充到裝飾闆材中，可(kě)以實現良好的(de)隔聲效果。

　　7.服裝領域

　　SiO₂氣凝膠由于其出色的(de)隔熱(rè)性能，廣泛應用(yòng)于航空服、消防服、防護服及保暖服飾當中。加拿大(dà)21元素公司與美(měi)國阿斯彭公司共同研發了(le)一種氣凝膠纖維，被用(yòng)來(lái)制作睡(shuì)袋、夾克内襯、鞋墊等其他(tā)戶外防寒産品;國産科技服裝品牌素湃已推出藍奇熱(rè)氣凝膠防寒服系列，該抗寒服中3mm厚度氣凝膠材料即可(kě)達到40mm鵝絨的(de)保暖度效果，可(kě)抵抗-196℃極寒，且洗滌100次後導熱(rè)系數幾乎不變。研究發現添加氣凝膠的(de)消防服平均點火時(shí)間從3.3s延長(cháng)到5.5s，可(kě)減緩火焰的(de)蔓延，且質量有所減輕。

　　8.環境保護領域

　　氣凝膠的(de)比表面積達到400~1000m2/g,孔隙率高(gāo)達90.0%~99.8%,加之其可(kě)調控的(de)開放孔隙結構、易化(huà)學修飾的(de)表面，以及種類和(hé)形态多(duō)樣化(huà)，在氣體吸附淨化(huà)、水(shuǐ)體淨化(huà)、核廢棄物(wù)處理(lǐ)等環境保護領域展現出廣闊的(de)應用(yòng)前景，被稱爲“超級海綿”，是一種新型的(de)高(gāo)效環保材料。

　　氨基改性SiO₂氣凝膠對(duì)染料廢水(shuǐ)中的(de)染料去除率達90%~100%;疏水(shuǐ)SiO₂氣凝膠可(kě)以有效抑制水(shuǐ)分(fēn)子的(de)競争吸附，對(duì)100g水(shuǐ)蒸氣的(de)吸附量達到0.12g,且對(duì)于CCl4、苯、甲苯等揮發性有機物(wù)(VOCs)的(de)吸附量也(yě)均遠(yuǎn)超活性炭和(hé)活性炭纖維等傳統吸附劑，被廣泛用(yòng)于水(shuǐ)體淨化(huà)領域。

　　9.催化(huà)領域

　　氣凝膠具有小粒徑、高(gāo)比表面積和(hé)低密度等特點，使得(de)氣凝膠催化(huà)劑的(de)活性和(hé)選擇性均遠(yuǎn)高(gāo)于常規催化(huà)劑。同時(shí)，氣凝膠還(hái)具有優良的(de)熱(rè)穩定性，可(kě)以有效減少副反應的(de)發生。氣凝膠在催化(huà)領域的(de)應用(yòng)涉及有機化(huà)合物(wù)的(de)部分(fēn)氧化(huà)、加氫反應、CO和(hé)CO₂與氫的(de)反應。氣凝膠催化(huà)劑的(de)粒子是單分(fēn)散且容易流化(huà)，具有實際應用(yòng)前景。

　　10.醫學領域

　　SiO₂氣凝膠因其密度低、孔隙率高(gāo)、比表面積大(dà)、無生理(lǐ)毒性、可(kě)生物(wù)降解性、生物(wù)相容性和(hé)熱(rè)穩定性優異等特性，可(kě)用(yòng)于藥物(wù)載體等藥物(wù)控制釋放體系、診斷劑、人(rén)造組織、人(rén)造器官及器官組件等醫學領域。

　　11.其他(tā)領域

　　SiO₂氣凝膠的(de)獨特性質使得(de)其在其他(tā)領域也(yě)有應用(yòng)。

　　在慣性約束核聚變(ICF)候選靶材料方面，SiO₂氣凝膠因其密度低、孔隙率高(gāo)及孔徑小等優點，可(kě)作爲ICF點火試驗中一種新型的(de)多(duō)孔靶材料;

　　在空間高(gāo)速粒子采集方面，SiO₂氣凝膠因其高(gāo)孔隙率和(hé)比表面積，近年來(lái)被廣泛應用(yòng)于彗星塵等各種類型的(de)粒子的(de)捕獲裝置中;

　　在冶金方面，SiO₂氣凝膠是一種很好的(de)一維冷(lěng)卻和(hé)固化(huà)的(de)合金材料，被用(yòng)于金屬合金固化(huà)的(de)鑄模;

　　在紅外隐身材料方面，SiO₂氣凝膠兼具吸收中遠(yuǎn)紅外，在中遠(yuǎn)紅外窗(chuāng)口具有寬頻(pín)吸收的(de)特性。

　　此外，納米SiO₂氣凝膠薄膜因其孔徑小、比表面積高(gāo)和(hé)膜厚度薄等特性，還(hái)被應用(yòng)到溫濕度傳感器中。

　　結語

　　SiO₂氣凝膠是一種結構特殊的(de)納米材料，具有許多(duō)特殊的(de)物(wù)理(lǐ)和(hé)化(huà)學特性，在衆多(duō)領域均有應用(yòng)前景，是極具開發潛力和(hé)研究價值的(de)材料。但目前對(duì)于氣凝膠材料的(de)研究主要集中在制備工藝的(de)更新換代上，對(duì)合成機制的(de)研究尚不夠深入。

　　因此，需要加強從分(fēn)子和(hé)原子層面深入研究氣凝膠材料的(de)形成機制，進一步優化(huà)調控氣凝膠材料的(de)性能。深入研究氣凝膠在電極材料、半導體材料、磁性材料等方面的(de)應用(yòng)研究。

　　另外，目前氣凝膠的(de)成本較高(gāo)和(hé)施工不易限制了(le)其規模化(huà)應用(yòng)，需要研究更低成本的(de)前驅體，結合更低成本的(de)幹燥工藝，進一步降低氣凝膠材料的(de)制備成本，推動氣凝膠的(de)規模化(huà)生産，從而使氣凝膠材料能更廣泛地應用(yòng)到更多(duō)的(de)領域當中，創造更多(duō)的(de)社會價值和(hé)經濟價值。

　　參考資料：《氣凝膠材料的(de)研究進展》，方 赟、李 斌，上海塑料2022.12.30，崛起氣凝膠，助力碳中和(hé) —木(mù)材氣凝膠新材料，鄧侃