中國粉體網(wǎng)訊  據(jù)媒體報(bào)道，在近兩屆的中國國際進(jìn)口博覽會(huì)（以下簡稱“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，展位上采購商絡(luò)繹不絕，訂單也是紛至沓來。

（圖片來源：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的呢？接下來，中國粉體網(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（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

1、氣凝膠的定義

據(jù)中國粉體網(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，人們對于氣凝膠有了更深刻、更多樣化的認(rèn)識，但目前對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所提出的方法對氣凝膠的制備行之有效，但復(fù)雜的溶劑替換過程以及耗時(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)體來制備SiO₂濕凝膠。該工藝不僅使硅前驅(qū)體的水解縮聚過程變得相對簡單且更易調(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越受到重視，比較常見的氧化物氣凝膠有Al₂O₃氣凝膠、ZrO₂氣凝膠、TiO₂氣凝膠、CuO氣凝膠等。

幾種常見氧化物氣凝膠的性能參數(shù)

近年來，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。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研究的熱門。

氣凝膠材料（部分）簡介

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)單體通過聚合反應(yīng)形成凝膠后，經(jīng)過干燥制得。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，因而近年來受到越來越多研究者的關(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

氣凝膠的相對介電常數(shù)很低（1<e<2），而且可通過改變其密度調(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)，尤其對于眾多無機(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，提升無機(jī)氣凝膠的力學(xué)性能主要從以下3個(gè)層面展開。從宏觀層面出發(fā)，以纖維作為基材與無機(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)，通過將無機(jī)氣凝膠與一些有機(jī)化合物進(jìn)行復(fù)合，如環(huán)氧樹脂、聚苯乙烯等，可增強(qiáng)無機(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)體可對無機(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，比相應(yīng)的玻璃態(tài)低4個(gè)數(shù)量級。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

氣凝膠的制備過程主要分為兩步：第一步為通過溶膠-凝膠過程制得凝膠；第二步則是通過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–凝膠過程示意圖（來源：張澤，等：氣凝膠材料及其應(yīng)用）

干燥過程：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)程度相對較低。

冷凍干燥也常常被用于制備氣凝膠，它是一種通過冷凍凝膠孔洞內(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種常見的干燥方法中操作最簡單、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，但需要漫長的溶劑替換過程，從而避免在干燥過程中凝膠吸水以及氣液界面張力對凝膠骨架造成變形甚至破壞。

6、小結(jié)

自問世以來，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)-無機(jī)雜化的方式制備耐久性好的氣凝膠，通過選擇氣凝膠的物質(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)用仍有很長的路要走，簡化氣凝膠干燥方法，強(qiáng)化氣凝膠力學(xué)性能，對氣凝膠進(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

樂弦，等：氣凝膠材料的發(fā)展趨勢與應(yīng)用前景，中國科學(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，中國科學(xué)院化學(xué)研究所

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