中國(guó)粉體網(wǎng)訊  據(jù)媒體報(bào)道，在近兩屆的中國(guó)國(guó)際進(jìn)口博覽會(huì)（以下簡(jiǎn)稱“進(jìn)博會(huì)”）上，一家名為RUNZI CAPITAL的專注于氣凝膠納米技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的高科技公司，他們帶來(lái)的一款神奇白色粉末，做成涂層后能讓雞蛋變得“堅(jiān)不可摧”，在進(jìn)博會(huì)期間賺足了眼球，展位上采購(gòu)商絡(luò)繹不絕，訂單也是紛至沓來(lái)。

（圖片來(lái)源：看看新聞）

那么，氣凝膠到底是類什么材料？有什么能力改變世界？它又是怎樣制造出來(lái)的呢？接下來(lái)，中國(guó)粉體網(wǎng)編輯將帶您了解與氣凝膠相關(guān)的材料科技。

氣凝膠粉體（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

1、氣凝膠的定義

據(jù)中國(guó)粉體網(wǎng)編輯的學(xué)習(xí)了解，世界上的第一塊氣凝膠由Kistler在1931年制得，Kistler將氣凝膠定義為濕凝膠內(nèi)的液體被氣體取代，同時(shí)在該過(guò)程中凝膠骨架為基本不發(fā)生變化的多孔材料。在后續(xù)的發(fā)展中，人們對(duì)于氣凝膠有了更深刻、更多樣化的認(rèn)識(shí)，但目前對(duì)于氣凝膠的定義尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

2、氣凝膠的發(fā)展過(guò)程

氣凝膠的研究發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：

1931年，Kistler以鹽酸催化水玻璃制得了SiO₂濕凝膠，后經(jīng)溶劑替換和乙醇超臨界干燥的方法，制得了世界上第一塊SiO₂氣凝膠。雖然Kistler所提出的方法對(duì)氣凝膠的制備行之有效，但復(fù)雜的溶劑替換過(guò)程以及耗時(shí)的超臨界干燥工藝卻阻礙了氣凝膠的進(jìn)一步發(fā)展。

1968年，Teichner等提出了一種制備SiO₂氣凝膠的新方法，該方法是利用硅的有機(jī)醇鹽正硅酸四甲酯(TMOS)替代水玻璃作為前驅(qū)體來(lái)制備SiO₂濕凝膠。該工藝不僅使硅前驅(qū)體的水解縮聚過(guò)程變得相對(duì)簡(jiǎn)單且更易調(diào)控，同時(shí)還避免了后期需要復(fù)雜的溶劑替換方法去除NaCl雜質(zhì)的過(guò)程，從而大大加速了氣凝膠的發(fā)展。利用此方法，Teichner等后續(xù)還合成了一系列金屬氧化物氣凝膠，例如Al₂O₃氣凝膠、ZrO₂氣凝膠、TiO₂氣凝膠等，成功拓展了氣凝膠的制備范圍。

進(jìn)入到20世紀(jì)80年代末期后，氣凝膠迎來(lái)了飛躍式的發(fā)展。Pekala等成功實(shí)現(xiàn)了有機(jī)氣凝膠及碳?xì)饽�膠的制備，將氣凝膠的制備范圍由無(wú)機(jī)領(lǐng)域擴(kuò)展到了有機(jī)領(lǐng)域。此外，在這一時(shí)期人們對(duì)于氣凝膠在聲、熱、光、電等各方面的物理性能進(jìn)行了更加深入地研究，氣凝膠在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛能也被相繼提出并得到了發(fā)展。

3、氣凝膠材料體系

傳統(tǒng)的氣凝膠材料主要包含無(wú)機(jī)氧化物（如SiO₂）氣凝膠、酚類和甲醛聚合形成的有機(jī)氣凝膠（RF氣凝膠）、RF氣凝膠碳化得到的碳?xì)饽�膠以及金屬氧化物氣凝膠，其中，無(wú)機(jī)氧化物氣凝膠一直是研究人員廣泛研究和關(guān)注的材料。此外，各類氧化物氣凝膠的成功制備也越來(lái)越受到重視，比較常見(jiàn)的氧化物氣凝膠有Al₂O₃氣凝膠、ZrO₂氣凝膠、TiO₂氣凝膠、CuO氣凝膠等。

幾種常見(jiàn)氧化物氣凝膠的性能參數(shù)

近年來(lái)，隨著納米材料領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，氣凝膠材料領(lǐng)域也出現(xiàn)了石墨烯氣凝膠、碳納米管氣凝膠、陶土氣凝膠、間規(guī)聚苯乙烯纖維氣凝膠、纖維素氣凝膠、金屬納米線氣凝膠等一些具有新型結(jié)構(gòu)和性能的氣凝膠材料，這使得氣凝膠的材料體系更加豐富起來(lái)。此外，貴金屬已被發(fā)現(xiàn)可制成氣凝膠，金屬氣凝膠因此迅速成為了近年來(lái)研究的熱門。

氣凝膠材料（部分）簡(jiǎn)介

二氧化硅氣凝膠樣品照片(a)和SEM照片(b)

Al₂O₃氣凝膠：除了SiO₂氣凝膠外，Al₂O₃氣凝膠也是目前研究較多的氧化物氣凝膠。由于Al₂O₃的熔點(diǎn)高于2000℃，因而將其制為氣凝膠將成為耐超高溫的絕熱材料。

耐超高溫Al₂O₃氣凝膠的制備工藝流程（來(lái)源：張澤，等：氣凝膠材料及其應(yīng)用）

ZrO₂氣凝膠：由于ZrO₂的表面同時(shí)具有酸性中心和堿性中心以及氧化和還原位點(diǎn)，因此ZrO₂可被用作很好的催化劑或催化劑載體。而很多化學(xué)反應(yīng)均在高溫催化下進(jìn)行，這就要求ZrO₂氣凝膠在高溫下應(yīng)具備很好的熱穩(wěn)定性，為此很多研究者開(kāi)展了提高ZrO₂氣凝膠耐熱性能的研究。

V₂O₅氣凝膠：兼具了V₂O₅材料理論比電容高的電學(xué)特性以及氣凝膠比表面積大的結(jié)構(gòu)特性，通常被用于鋰離子電池陰極材料以及超級(jí)電容器電極材料的研究。

有機(jī)氣凝膠：是由有機(jī)單體通過(guò)聚合反應(yīng)形成凝膠后，經(jīng)過(guò)干燥制得。間苯二酚-甲醛(RF)有機(jī)氣凝膠、三聚氰胺-甲醛(MF)有機(jī)氣凝膠是目前研究時(shí)間最長(zhǎng)的兩類有機(jī)氣凝膠，它們最早被用作慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)中的靶材料。在后續(xù)的發(fā)展中，RF類有機(jī)氣凝膠更多地被用作前驅(qū)體制備碳?xì)饽�膠。

碳?xì)饽�膠：由有機(jī)氣凝膠(通常為RF類有機(jī)氣凝膠)在惰性氣體的保護(hù)下經(jīng)高溫碳化處理后制得。通過(guò)改變有機(jī)氣凝膠的溶膠-凝膠參數(shù)或?qū)μ蓟�工藝進(jìn)行優(yōu)化，可以得到所需物理性能最佳的碳?xì)饽�膠。與有機(jī)氣凝膠相比，碳?xì)饽�膠具有更高的孔隙率及比表面積、密度變化范圍更廣且擁有很高的電導(dǎo)率，因而應(yīng)用范圍更加廣泛，尤其在制備慣性約束聚變靶材以及電極材料方面，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

石墨烯氣凝膠：是一種特殊類型的碳?xì)饽�膠，由于該類氣凝膠兼具了石墨烯所特有的理化性質(zhì)與氣凝膠獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，因而近年來(lái)受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注。與普通碳?xì)饽�膠有所不同，該類氣凝膠通常是以氧化石墨烯(GO)為前驅(qū)體，后經(jīng)一定的還原方法(例如水熱還原法、化學(xué)還原法等)處理得到石墨烯凝膠，進(jìn)而通過(guò)冷凍干燥或CO₂超臨界干燥得到石墨烯氣凝膠。

生物質(zhì)氣凝膠：是以生物質(zhì)能源為前驅(qū)體，經(jīng)干燥處理后制得的氣凝膠。與其它種類的氣凝膠相比，生物質(zhì)氣凝膠具有生物兼容性與生物可降解性的特點(diǎn)，因而可被用于載藥及食品領(lǐng)域。

碳化物氣凝膠：可由碳熱還原反應(yīng)制得。其發(fā)展尚處于起步階段，其合成路線有待被擴(kuò)充和完善。

4、氣凝膠的性能及應(yīng)用

氣凝膠具有極高的孔隙率、極低的密度、極低的聲傳播速度、極低的介電常數(shù)、極高的比表面積等優(yōu)異性能，由于這些出色的特性，氣凝膠被期許為“改變世界的神奇材料”，在熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、微電子、催化、航空航天、節(jié)能建筑等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

熱學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用

氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)決定了其熱導(dǎo)率處于非常低的范圍，這是氣凝膠很重要的一個(gè)特性，如SiO₂氣凝膠的熱導(dǎo)率通常為0.015W/m·k，是優(yōu)異的絕熱保溫材料，可廣泛應(yīng)用于保溫領(lǐng)域，如設(shè)備保溫、管道保溫、建筑外墻保溫等，這是將氣凝膠大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的主要應(yīng)用方向。

氣凝膠材料作為絕熱材料被越來(lái)越多地應(yīng)用于航空航天和航海領(lǐng)域。據(jù)報(bào)道，航天器在執(zhí)行任務(wù)期間，夜間的溫度一般會(huì)低于–70℃，而采用氣凝膠復(fù)合材料對(duì)航天器進(jìn)行保溫時(shí)，航天器內(nèi)部溫度能夠穩(wěn)定保持在室溫（25℃）左右，這樣可以在外部溫度極端低的情況下，其內(nèi)部的電子設(shè)備不受溫度影響而能正常地執(zhí)行任務(wù)。

聲學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用

氣凝膠材料中的聲傳播取決于凝膠間隙中的孔隙性質(zhì)及氣凝膠密度等。在凝膠網(wǎng)絡(luò)傳播過(guò)程中，聲波由于波能量逐漸轉(zhuǎn)移被衰減，所以在振幅和速度上都大大減弱，這使得氣凝膠非常適用于聲學(xué)隔音裝置，由于其低聲速特性，氣凝膠是一種理想的聲學(xué)延遲及高溫隔音材料。

光學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用

氣凝膠材料的光學(xué)透射和散射性質(zhì)是其所具有的另一種重要特性，可將氣凝膠材料制作成透明的隔熱窗戶，既具備常規(guī)玻璃的功效，同時(shí)起到保溫隔熱作用，有望在房屋、建筑物上得到大量應(yīng)用。另外，盡管存在一定程度的散射，但氣凝膠的透明度和可見(jiàn)光透射率非常高，可用作高溫觀察窗口使用。

電學(xué)及催化領(lǐng)域應(yīng)用

氣凝膠的相對(duì)介電常數(shù)很低（1<e<2），而且可通過(guò)改變其密度調(diào)節(jié)介電常數(shù)值。因此，氣凝膠可被制成超低介電常數(shù)集成電路材料。介電常數(shù)值很低且可以調(diào)節(jié)，其熱膨脹系數(shù)與硅材料相近，因此應(yīng)力很小，而且與聚酰亞胺相比，氣凝膠有良好的高溫穩(wěn)定性。因此，如將集成電路所用的襯底材料改成氣凝膠薄膜，其運(yùn)算速度可提高3倍，氣凝膠在電學(xué)領(lǐng)域展示出了巨大的應(yīng)用潛力。

吸附和存儲(chǔ)性能

由于氣凝膠由納米顆粒骨架構(gòu)成，具有高通透性的三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，很高的比表面積和孔隙率，且孔洞又與外界相通，因此具有非常良好的吸附特性，在氣體過(guò)濾器、吸附介質(zhì)方面有著很大的應(yīng)用價(jià)值。

力學(xué)性能

氣凝膠超高的孔隙率使其在力學(xué)性能上表現(xiàn)出了高度脆性及易碎的特點(diǎn)，尤其對(duì)于眾多無(wú)機(jī)氣凝膠，脆弱的力學(xué)性能是阻礙其應(yīng)用的關(guān)鍵因素。目前，提升無(wú)機(jī)氣凝膠的力學(xué)性能主要從以下3個(gè)層面展開(kāi)。從宏觀層面出發(fā)，以纖維作為基材與無(wú)機(jī)氣凝膠進(jìn)行復(fù)合可顯著提升復(fù)合氣凝膠的彈性性能。從粒子層面出發(fā)，通過(guò)將無(wú)機(jī)氣凝膠與一些有機(jī)化合物進(jìn)行復(fù)合，如環(huán)氧樹(shù)脂、聚苯乙烯等，可增強(qiáng)無(wú)機(jī)氣凝膠的骨架結(jié)構(gòu)，從而提升其力學(xué)性能。從分子層面出發(fā)，使用含有不同有機(jī)取代基的前驅(qū)體可對(duì)無(wú)機(jī)氣凝膠的力學(xué)性能進(jìn)行改善，該方法目前被廣泛應(yīng)用于硅系氣凝膠的制備。

除了高度脆性及易碎的特點(diǎn)外，氣凝膠另一個(gè)重要的力學(xué)特性表現(xiàn)在該類材料具有極低的模量。氣凝膠的Young’s模量為10⁶N/m²數(shù)量級(jí)，比相應(yīng)的玻璃態(tài)低4個(gè)數(shù)量級(jí)。極低的模量使氣凝膠具有抗震、耐沖擊的特性，若將其進(jìn)一步制成密度呈梯度變化的塊體材料，可應(yīng)用于空間高速粒子的捕獲。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用

氣凝膠中的碳?xì)饽�膠具有高孔隙率，同時(shí)還具有生物相容性及可生物降解的特性，因而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛用途。可能的應(yīng)用包括診斷劑、人造組織、人造器官、器官組件等。氣凝膠的生物學(xué)特性特別適用于藥物控制釋放體系，且具有很高的藥物負(fù)載量，適用于低毒高效的胃腸外給藥體系。

5、氣凝膠的制備

氣凝膠的制備過(guò)程主要分為兩步：第一步為通過(guò)溶膠-凝膠過(guò)程制得凝膠；第二步則是通過(guò)一定的干燥方法將凝膠內(nèi)的液態(tài)物質(zhì)替換為氣態(tài)從而制得氣凝膠。

溶膠–凝膠過(guò)程示意圖（來(lái)源：張澤，等：氣凝膠材料及其應(yīng)用）

干燥過(guò)程：通常制備氣凝膠的干燥方法分為4類：超臨界干燥、亞臨界干燥、冷凍干燥及常壓干燥。

超臨界干燥法是指將干燥溶劑的溫度、壓強(qiáng)均提升至其超臨界點(diǎn)以上，從而消除凝膠孔洞內(nèi)的氣液界面，是對(duì)樣品進(jìn)行干燥的方法。

亞臨界干燥則是將干燥試劑的溫度、壓強(qiáng)均提升至其超臨界點(diǎn)之下對(duì)樣品進(jìn)行干燥。與超臨界干燥相比，亞臨界干燥的危險(xiǎn)程度相對(duì)較低。

冷凍干燥也常常被用于制備氣凝膠，它是一種通過(guò)冷凍凝膠孔洞內(nèi)的液體，進(jìn)而使其在真空條件下升華從而制得氣凝膠的方法。

常壓干燥是4種常見(jiàn)的干燥方法中操作最簡(jiǎn)單、使用最經(jīng)濟(jì)的方法。它不需要超臨界干燥所使用的高壓釜及成本高昂的超臨界干燥試劑，但需要漫長(zhǎng)的溶劑替換過(guò)程，從而避免在干燥過(guò)程中凝膠吸水以及氣液界面張力對(duì)凝膠骨架造成變形甚至破壞。

6、小結(jié)

自問(wèn)世以來(lái)，氣凝膠憑借其獨(dú)有的優(yōu)良特質(zhì)受到人們的密切關(guān)注，然而其復(fù)雜的干燥方法和脆弱的質(zhì)地極大地限制了它的廣泛應(yīng)用。研究人員積極探索，將石墨烯等新材料應(yīng)用于制備氣凝膠，利用有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化的方式制備耐久性好的氣凝膠，通過(guò)選擇氣凝膠的物質(zhì)組成改進(jìn)制備氣凝膠的干燥方法，取得了許多可喜的進(jìn)展。盡管如此，氣凝膠的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用仍有很長(zhǎng)的路要走，簡(jiǎn)化氣凝膠干燥方法，強(qiáng)化氣凝膠力學(xué)性能，對(duì)氣凝膠進(jìn)行功能化將是研究人員不懈努力的方向。

參考資料：

張澤，等：氣凝膠材料及其應(yīng)用，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院

樂(lè)弦，等：氣凝膠材料的發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院

沈曉冬，等：氣凝膠納米材料的研究進(jìn)展，南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

王真，等：氣凝膠材料研究的新進(jìn)展，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所

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