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氣凝膠是一種以納米膠體粒子相互聚集構(gòu)成納米骨架和納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的輕質(zhì)固態(tài)材料，具有極高空隙率（可達99.8%）、極低密度（低至3mg/cm3）、極高比表面積（可達2000m2/g）、超高孔體積率、耐高溫、高彈性、強吸附、催化等特性。氣凝膠主要分為無機氣凝膠、有機氣凝膠和有機-無機雜化氣凝膠3類。其中，無機物氣凝膠是以無機物為基體，包括單質(zhì)氣凝膠（如炭、石墨烯、金屬金等）、氧化物氣凝膠（如SiO2、Al2O3、TiO2、SiO2-Al2O3、TiO2-SiO2、B2O3-SiO2、CuO-ZnO-ZrO2、CuO-ZnO-Al2O3、MgO-SiO2-Al2O3等）以及硫化物氣凝膠等。有機氣凝膠是以有機物為主體，主要包括酚醛氣凝膠、纖維素氣凝膠、聚酰亞胺氣凝膠、聚氨酯（聚脲）氣凝膠、殼聚糖氣凝膠以及殼聚糖-纖維素氣凝膠等。有機-無機雜化氣凝膠利用有機物和無機物各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)氣凝膠材料特殊的功能化。

一、氣凝膠材料的研究現(xiàn)狀

1931年，美國學(xué)者Kistler采用超臨界乙醇流體干燥方式，以硅酸鈉為原料，在保持凝膠結(jié)構(gòu)的同時，將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的乙醇液體置換成氣體，成功制得了SiO2氣凝膠材料，之后又陸續(xù)制備了Al2O3、W2O3、Fe2O3、NiO3等無機氣凝膠以及纖維素、明膠、瓊脂等有機氣凝膠。各主要國家對于氣凝膠材料的研究予以極大關(guān)注，開發(fā)出多種新型氣凝膠材料，拓展了氣凝膠的應(yīng)用范圍。

（一）主要國家開發(fā)出多種新型氣凝膠材料

氣凝膠的制備工藝主要分為兩步：一是通過溶膠-凝膠過程制備凝膠；二是利用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。干燥過程又分為超臨界干燥、亞臨界干燥、冷凍干燥、常壓干燥等方法。其中，溶膠-凝膠過程是制備氣凝膠最核心的過程，直接決定了氣凝膠的各種微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，包括水解和縮聚兩個步驟。

近年來，中美歐等國研究人員通過改進氣凝膠制備工藝，開發(fā)出生物基氣凝膠、石墨烯氣凝膠、聚合物氣凝膠等多種新型氣凝膠材料。美國科羅拉多大學(xué)的研究人員利用啤酒釀造工業(yè)的廢棄物作為培養(yǎng)基，使用由醋酸桿菌制備出的細菌纖維素，通過超臨界干燥法等方法制備出一種細菌纖維素氣凝膠材料，具有低熱導(dǎo)率的特征。法國國家科學(xué)研究中心的研究人員采用與傳統(tǒng)制備工藝不同的水熱處理法制備出單寧基碳氣凝膠，具有較高的比表面積和比電容量。山東大學(xué)的研究人員成功制備出一種高性能的偕胺肟基修飾的環(huán)糊精/石墨烯氣凝膠，其對海水中鈾表現(xiàn)出較強親和力和選擇性，在天然海水中具有出色的鈾提取能力，21天即可實現(xiàn)19.7mg/g的鈾吸附量。中國四川大學(xué)的研究人員利用雙向取向的碳氣凝膠復(fù)合多壁碳納米管，開發(fā)出能夠在極端溫度下保持功能性和超彈性的新型聚合物氣凝膠材料，其可在-196℃至500℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)揮作用。

（二）生物質(zhì)基氣凝膠材料成為主要國家研究熱點

碳氣凝膠（CA）是以有機氣凝膠為前驅(qū)體，在惰性氣體氛圍中高溫裂解后得到的一種新型納米多孔碳材料，同時具有氣凝膠極高孔隙率、高比表面積、低密度等特性以及碳材料耐熱、耐酸堿、高導(dǎo)電率的特點，但因其工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)規(guī)模小、原材料成本昂貴，易造成環(huán)境污染等問題，限制了碳氣凝膠的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。而生物質(zhì)原料來源廣泛、成本低廉、碳源豐富，因此利用生物質(zhì)原料制備環(huán)保型多孔碳纖維氣凝膠是一種經(jīng)濟、可持續(xù)的生產(chǎn)方式。

中美歐研究人員對生物質(zhì)基氣凝膠材料的制備和應(yīng)用開展研究，取得一系列研究成果。法國國家科學(xué)研究中心的研究人員將纖維素材料溶解于氫氧化鈉溶液中，制備出新型高度多孔純纖維素氣凝膠材料，其內(nèi)部比表面積為200-300m2/g，密度僅為0.06-0.3g/cm3。美國科羅拉多大學(xué)的研究人員利用啤酒釀造工業(yè)的廢棄物作為培養(yǎng)基，使用醋酸桿菌制備出細菌纖維素，再通過超臨界干燥法等方法制備出具有低熱導(dǎo)率特征的細菌纖維素氣凝膠材料。中國嘉興學(xué)院中澳先進材料與制造研究院（IAMM）的研究人員開發(fā)出水下機械性堅韌、彈性高、超親水的纖維素納米纖維基氣凝膠，可用于油包水乳液分離和太陽能蒸汽發(fā)電等，解決了纖維素氣凝膠耐水性差和水下機械韌性低的問題，打破了其應(yīng)用的阻礙。

（三）3D打印氣凝膠材料取得多項技術(shù)進展

由于傳統(tǒng)氣凝膠的力學(xué)性能有限，難以通過后期加工形成所需的復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)，因此定制化制備復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)材料的3D打印技術(shù)有望成為突破氣凝膠材料應(yīng)用瓶頸的先進制造技術(shù)。2015年，美國加利福尼亞大學(xué)的研究人員首次通過3D打印技術(shù)制備石墨烯氣凝膠，此后3D打印氣凝膠逐漸成為研究熱點。目前，3D打印氣凝膠材料的制備中的打印方法主要有擠出式、冷場輔助按需滴落（DOD）法和光固化法3種方式。根據(jù)3D打印氣凝膠的主要組成可分為3D打印碳氣凝膠、3D打印無機氣凝膠和3D打印有機氣凝膠。美國阿克倫大學(xué)的研究人員先采用立體光固化成型（SLA）技術(shù)制作類似于樂高積木的小磚塊，使用熔融沉積制造（FDM）工藝制作成形模，再向模具與磚塊里面注入氣凝膠后經(jīng)過脫模、固化等后處理，實現(xiàn)了氣凝膠磚塊的模塊化生產(chǎn)。瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室的研究人員直接采用二氧化硅氣凝膠粉末的漿液進行墨水直寫打印微型二氧化硅氣凝膠物體，該物體具有高比表面積和超低導(dǎo)熱率，可用作熱絕緣體和微型氣泵并可降解揮發(fā)性有機化合物。

二、氣凝膠材料的主要應(yīng)用

氣凝膠具有極低密度、超高孔隙率、低折射率、低熱導(dǎo)率、低聲阻抗等特性，這是一般固態(tài)材料所不具備的。這些特性使其在隔熱保溫、生物醫(yī)學(xué)、隔音、吸附等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

（一）隔熱保溫領(lǐng)域

氣凝膠材料的導(dǎo)熱系數(shù)非常低，是目前已知的隔熱、保溫性能最好的材料。NASA曾對多孔材料、泡沫材料、相變材料、氣凝膠材料等多種材料的隔熱效果、質(zhì)量、材料柔性、力學(xué)強度、厚度等性能進行綜合對比，發(fā)現(xiàn)氣凝膠不僅具有良好的綜合性能，而且兼具更加優(yōu)異的保溫隔熱性能，可作為宇航服的候選材料。此外，氣凝膠材料在節(jié)能窗、屋面太陽能集熱器、保溫涂料等民用領(lǐng)域，以及飛機黑匣子、戰(zhàn)斗機機艙隔熱層等軍事領(lǐng)域中也有廣泛應(yīng)用。

（二）生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

氣凝膠材料具備生物相容性、合適的機械性能、生物可降解性等特性，已應(yīng)用于可植入醫(yī)療器械、非侵入成像、骨接枝和生物傳感器等領(lǐng)域。此外，氣凝膠材料還可被制備成微球用于藥物緩釋，以達到向靶細胞靶向控制釋放藥物的功能，具有潛在應(yīng)用價值。

（三）隔音領(lǐng)域

氣凝膠材料不僅具有極大的內(nèi)表面積，可使聲波在其內(nèi)表面上進行多次反射而衰減，而且具有極高孔隙率，其表面的納米級孔道使得空氣黏性流動的速度與空氣分子的Knudsen擴散速度相接近，以此消耗掉一部分通過空氣傳播的聲能，達到良好的隔音效果。

（四）吸附領(lǐng)域

氣凝膠材料具有極高孔隙率，可對有機物進行有效的吸附，還可以用來除去金屬離子。與傳統(tǒng)方法相比，利用碳氣凝膠進行電吸附除去溶液中的金屬離子具有減少二次污染、節(jié)能、可再生的優(yōu)勢。此外，改性后的氣凝膠材料還可對特定物質(zhì)進行選擇性吸附，如將四乙烯五胺負載在二氧化硅氣凝膠中，可對二氧化碳進行高效吸附。

三、氣凝膠材料的未來研究方向

氣凝膠材料種類多樣，合成工藝逐漸形成體系，但是目前針對氣凝膠的研究依然存在一些問題：氣凝膠高溫條件下熱導(dǎo)率增長較快；相對于金屬材料而言，氣凝膠整體的機械強度還是較弱；氣凝膠與纖維等增強基體材料的黏結(jié)性差；氣凝膠的生產(chǎn)過程中會用到許多有機溶劑，造成環(huán)境污染，不利于大規(guī)模生產(chǎn)；氣凝膠難以回收利用，不利于可持續(xù)發(fā)展等。

氣凝膠未來的研究方向和發(fā)展趨勢主要集中在開發(fā)纖維素氣凝膠、石墨烯氣凝膠、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氣凝膠、非金屬單質(zhì)氣凝膠等新型氣凝膠材料；通過采用不同的前驅(qū)體、優(yōu)化合成方法和改變加強體等方法調(diào)控氣凝膠結(jié)構(gòu)；擴展氣凝膠應(yīng)用領(lǐng)域等。

四、結(jié)語

氣凝膠材料的發(fā)展和應(yīng)用仍然處于不斷探索的過程，雖然目前已在一些領(lǐng)域取得研究進展，但仍需要解決資源利用不充分、制造成本高、技術(shù)工藝存在缺陷等問題，各主要國家還將在這一領(lǐng)域展開激烈競爭。我國在氣凝膠材料領(lǐng)域的研究水平位居世界前列，應(yīng)持續(xù)開展對氣凝膠材料制備及大規(guī)模生產(chǎn)工藝的研究，擴展氣凝膠材料的應(yīng)用領(lǐng)域，保持在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

原標題：未來潛力材料之氣凝膠材料