氣凝膠誕生于1931年，由KISTLERSS通過乙醇超臨界干燥技術首次制備得出。1999年，美國Aspens公司成功制備出纖維復合的氣凝膠超級絕熱材料；2001年正式成立了AspenAerogel公司，并對氣凝膠進行商業化運作，由此開啟了氣凝膠材料產業化浪潮。

 

 

氣凝膠粉 圖源：科昂

 

 

氣凝膠固體

 

一.氣凝膠材料的結構和特性

 

隨著人們對氣凝膠材料研究的不斷擴大和深入，氣凝膠的結構和種類也得到不斷完善。根據氣凝膠材料的成分可大致分為：氧化物氣凝膠、碳化物氣凝膠、氮化物氣凝膠、有機氣凝膠、復合氣凝膠等（見表1)。

 

 

 

氣凝膠是一種隔熱性能優異的固體材料，具有高比表面積、納米級孔洞、低密度等特殊的微觀結構（見圖1), 因此在隔熱保溫、吸附分離、生物醫用、光電催化、儲能轉化、吸聲隔音等方面表現出優異的性能（見表2)。

 

 

圖 １ 氣凝膠的微觀結構示意圖

 

 

因此SiO?氣凝膠是目前隔熱性能最好的固態材料，氣凝膠的阻熱原理在于均勻致密的納米孔及多級分形孔道微結構可以有效阻止空氣對流，降低熱輻射和熱傳導，具體表現為：

 

(1)無對流效應。氣凝膠氣孔為納米級，孔徑尺寸小于分子平均自由程，內部空氣失去自由流動能力。

(2)無窮多遮擋板效應。納米級氣孔，氣孔壁無窮多，輻射傳熱降至最低。

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

 

 

二.氣凝膠材料的制備

 

氣凝膠材料的制備過程主要有溶膠－凝膠化、老化、改性和干燥（見圖2)。其中，溶膠－凝膠化過程是指前驅體溶膠聚集縮合形成凝膠的過程。由于剛形成的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一段時間提高強度或者利用表面改性減小干燥應力。干燥過程即用空氣取代濕凝膠孔隙中的溶液并排出。

 

 

圖 ２ 氣凝膠合成工藝

 

1.溶膠－凝膠化過程

 

SiO?氣凝膠是目前研究最多的無機氣凝膠，其溶膠－凝膠化過程是硅源通過水解和縮聚反應，形成具有三維網絡結構的SiO?氣凝膠，反應機理如下：

 

Si(OR)?+4H?O→Si(OH)?+4HOR（水解）（1）

 

nSi(OH)?→(SiO?)n+2nH?0（縮聚）(2)

 

通過調節反應溶液的pH、溫度、物料質量比和催化劑類型可以控制水解和縮聚反應的相對速率，從而調控凝膠結構。

 

2.老化過程

 

凝膠的老化指在形成凝膠之后，將凝膠持續浸入含有前驅體的溶劑中，混合溶液中的小凝膠團和溶膠顆粒進一步聚集并相互黏附，并延伸到整個凝膠網絡的過程。一般采用醇類溶劑和烷類溶劑洗滌老化后的凝膠，以便除去孔中剩余的水。

 

3.干燥過程

 

干燥過程是氣凝膠制備中最關鍵的環節，直接決定制備的氣凝膠材料的性能。氣凝膠材料的密度越低、孔隙率越高、孔徑分布越均勻和比表面積越大，其性能越好。目前主流的干燥技術路線有超臨界干燥和常壓干燥。

 

（1）超臨界干燥

 

超臨界干燥的原理是當溫度和壓力達到或超過溶劑介質的超臨界值時，濕凝膠孔洞中的液體直接轉化為無氣液相區的流體，孔洞表面氣液界面消失，表面張力變得很小甚至消失。當超臨界流體從凝膠排出時，不會導致其網絡骨架的收縮及結構坍塌，從而得到具有凝膠原有結構的塊狀納米多孔氣凝膠材料。

 

（2）常壓干燥

 

常壓干燥的原理是用低表面張力的干燥介質和相關的改性劑來置換濕凝膠中的溶劑，以減小常壓干燥過程產生的毛細管作用力，避免在去除溶劑過程中凝膠發生體積收縮和結構破壞。相對超臨界工藝，常壓干燥的設備成本與能耗成本較低、設備更簡單，但是對配方設計和流程組合優化的要求較高，在制備非SiO?氣凝膠時尚不成熟。

 

三.氣凝膠材料的應用

 

氣凝膠在隔熱、防水、防火、耐壓、透氣、隔聲、吸附、使用壽命等多個維度性能都很優異，在純粹追求性能的前提下，氣凝膠對同類材料來說是“降維打擊”，這使得氣凝膠在諸多領域具有廣泛的應用或潛在的應用前景。

 

 

1.航空航天領域

 

輕質高效隔熱材料是航空航天飛行器的關鍵熱防護組件之一，受飛行環境影響，航空航天材料需要具備低密度、高硬度、耐高低溫、低導熱的特性，而氣凝膠被認為是理想的輕質高效隔熱材料。

 

此外，航天器的電路也廣泛使用氣凝膠進行隔熱保護，俄羅斯的“和平號”空間站也使用氣凝膠實現熱絕緣防護，我國首個火星探測器“天問一號”著陸發動機，以及我國“祝融號”（見圖3)、美國“漫步者”和“探路者”火星車的關鍵電器元件和線路也均使用氣凝膠防護，以承受-100℃的超低溫。

 

 

圖3“祝融號”火星車使用氣凝膠材料

 

2.國防軍工領域

 

氣凝膠作為最高效的隔熱材料，一直廣泛應用于軍工領域。英國“美洲豹”戰斗機的駕駛艙機艙（見圖４）和印度海軍“ＩＮＳＡｒｉ?ｈａｎｔ”戰略導彈核潛艇的腔體都采用了氣凝膠進行保溫隔熱，以減少傳統保溫隔熱材料排放的ＮＯｘ；美國核潛艇和蒸汽動力導彈驅逐艦的核反應堆隔熱系統也有應用ＮＡＳＡＡｍｅｓ研究中心研制的硅酸鋁纖維增強的ＳｉＯ?氣凝膠隔熱瓦。

 

 

圖4氣凝膠在英國“美洲豹”戰斗機的駕駛艙機艙的應用

 

氣凝膠還可以作為飛機、艦船／艇、坦克、導彈等的外層材料，起到防輻射、吸收紅外線和漫反射波實現隱形功能，屏蔽自身電子信號實現反偵察的功能。在水下探測中氣凝膠的低聲速和高孔隙超輕質特性使之成為比較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料和最佳水聲反聲材料。此外，氣凝膠還可用于軍用保溫帳篷、軍用熱電池等產品。

 

3.能源化工領域

 

巖棉、硅酸鋁等傳統無機保溫材料容易吸水導致保溫失效，聚氨酯等有機絕熱材料阻燃性差，而氣凝膠不僅導熱系數低，而且使用壽命長、不易吸水、阻燃和環保。雖然氣凝膠材料較傳統保溫材料的初期投資明顯更高，但其綜合性能優異，持久可觀的節能收益和顯著的綠色環保優勢使其成為一種綜合性價比較高的節能產品，廣泛應用于能源基礎設施的外保溫中（見圖5)。

 

 

圖5氣凝膠用于能源化工領域管線保溫

 

４.鋰離子電池領域

 

鋰電池產業近些年發展迅速，然而鋰電池的燃燒甚至爆炸安全事故頻發，研究發現，熱失控是動力電池安全事故的主要原因。碰撞、針刺、過充、過放等都會引起鋰電池熱失控。阻止熱失控電芯向電池其他系統傳熱是主要解決思路。氣凝膠氈具有防火、隔熱、阻燃的特性，而且質感柔軟、易于加工，是非常理想的預防材料（見圖６）。

 

 

圖6氣凝膠阻止熱失控電芯和模組之間的熱擴散

 

目前新開發的氣凝膠玻纖氈能夠將電池包高溫耐受能力提高至８００℃以上，可以耐受住電池包短路造成的高溫能量瞬間沖擊，更好地解決動力電池安全問題。另外，氣凝膠還兼具隔熱的效果，能夠滿足電動汽車對長續航、高性能和長壽命的要求。

 

５.建筑建造領域

 

氣凝膠氈材和板材兼具隔熱、防水、阻燃、隔聲、環保、輕質、透氣、易降解等優異性能，是建筑保溫材料的最佳選擇之一。ＳｉＯ?氣凝膠良好的透光、絕熱、防火和降噪能力，使其在建筑玻璃的應用也有明顯優勢，可對傳統的Ｌｏｗ?Ｅ鍍膜玻璃和高層建筑幕墻玻璃形成一定替代，幫助建筑更好地實現節能、舒適、環境三方面的平衡。

 

６.吸音隔聲領域

 

ＳｉＯ?氣凝膠的聲阻抗可變范圍為１０３～１０７ｋｇ／（ｍ²·ｓ），是超聲探測器的理想聲阻耦合材料。此外，ＳｉＯ?氣凝膠作為納米多孔材料，當聲音在ＳｉＯ?氣凝膠中傳播時，聲波在進入ＳｉＯ?氣凝膠的納米微孔中后多次折返、碰撞和反射，還會和納米孔洞中的孔壁、空氣等產生摩擦，都會造成極大的音損，有效延遲聲音的傳播。因此，ＳｉＯ?氣凝膠可以作為很好的隔音和延遲聲音傳播的材料。通過將ＳｉＯ?氣凝膠填充到裝飾板材中，可以實現良好的隔聲效果。

 

７.服裝領域

 

ＳｉＯ?氣凝膠由于其出色的隔熱性能，廣泛應用于航空服、消防服、防護服及保暖服飾當中。加拿大２１元素公司與美國阿斯彭公司共同研發了一種氣凝膠纖維，被用來制作睡袋、夾克內襯、鞋墊等其他戶外防寒產品；國產科技服裝品牌素湃已推出藍奇熱氣凝膠防寒服系列，該抗寒服中３ｍｍ厚度氣凝膠材料即可達到４０ｍｍ鵝絨的保暖度效果，可抵抗－１９６℃極寒，且洗滌１００次后導熱系數幾乎不變。研究發現添加氣凝膠的消防服平均點火時間從３.３ｓ延長到５.５ｓ，可減緩火焰的蔓延，且質量有所減輕。

 

8.環境保護領域

 

氣凝膠的比表面積達到400~1000m2/g,孔隙率高達90.0%~99.8%,加之其可調控的開放孔隙結構、易化學修飾的表面，以及種類和形態多樣化，在氣體吸附凈化、水體凈化、核廢棄物處理等環境保護領域展現出廣闊的應用前景，被稱為“超級海綿”，是一種新型的高效環保材料。

 

氨基改性SiO?氣凝膠對染料廢水中的染料去除率達90%~100%;疏水SiO?氣凝膠可以有效抑制水分子的競爭吸附，對100g水蒸氣的吸附量達到0.12g,且對于CCl4、苯、甲苯等揮發性有機物(VOCs)的吸附量也均遠超活性炭和活性炭纖維等傳統吸附劑，被廣泛用于水體凈化領域（見圖7)。

 

 

圖7氣凝膠在水體凈化中的應用

 

9.催化領域

 

氣凝膠具有小粒徑、高比表面積和低密度等特點，使得氣凝膠催化劑的活性和選擇性均遠高于常規催化劑。同時，氣凝膠還具有優良的熱穩定性，可以有效減少副反應的發生。氣凝膠在催化領域的應用涉及有機化合物的部分氧化、加氫反應、CO和CO?與氫的反應。氣凝膠催化劑的粒子是單分散且容易流化，具有實際應用前景。

 

10.醫學領域

 

SiO?氣凝膠因其密度低、孔隙率高、比表面積大、無生理毒性、可生物降解性、生物相容性和熱穩定性優異等特性，可用于藥物載體等藥物控制釋放體系、診斷劑、人造組織、人造器官及器官組件等醫學領域。

 

11.其他領域

 

SiO?氣凝膠的獨特性質使得其在其他領域也有應用。

 

在慣性約束核聚變(ICF)候選靶材料方面，SiO?氣凝膠因其密度低、孔隙率高及孔徑小等優點，可作為ICF點火試驗中一種新型的多孔靶材料；

在空間高速粒子采集方面，SiO?氣凝膠因其高孔隙率和比表面積，近年來被廣泛應用于彗星塵等各種類型的粒子的捕獲裝置中；

在冶金方面，SiO?氣凝膠是一種很好的一維冷卻和固化的合金材料，被用于金屬合金固化的鑄模；

在紅外隱身材料方面，SiO?氣凝膠兼具吸收中遠紅外，在中遠紅外窗口具有寬頻吸收的特性。

此外，納米SiO?氣凝膠薄膜因其孔徑小、比表面積高和膜厚度薄等特性，還被應用到溫濕度傳感器中。

 

結語

 

SiO?氣凝膠是一種結構特殊的納米材料，具有許多特殊的物理和化學特性，在眾多領域均有應用前景，是極具開發潛力和研究價值的材料。但目前對于氣凝膠材料的研究主要集中在制備工藝的更新換代上，對合成機制的研究尚不夠深入。

 

因此，需要加強從分子和原子層面深入研究氣凝膠材料的形成機制，進一步優化調控氣凝膠材料的性能。深入研究氣凝膠在電極材料、半導體材料、磁性材料等方面的應用研究。

 

另外，目前氣凝膠的成本較高和施工不易限制了其規模化應用，需要研究更低成本的前驅體，結合更低成本的干燥工藝，進一步降低氣凝膠材料的制備成本，推動氣凝膠的規模化生產，從而使氣凝膠材料能更廣泛地應用到更多的領域當中，創造更多的社會價值和經濟價值。

 

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