改變世界的神奇粉體?揭秘進博會「網紅」材料——氣凝膠

據媒體報導，在近兩屆的中國國際進口博覽會（以下簡稱「進博會」）上，一家名為RUNZI CAPITAL的專注於氣凝膠納米技術研發與應用的高科技公司，他們帶來的一款神奇白色粉末，做成塗層後能讓雞蛋變得「堅不可摧」，在進博會期間賺足了眼球，展位上採購商絡繹不絕，訂單也是紛至沓來。

（圖片來源：看看新聞）

那麼，氣凝膠到底是類什麼材料？有什麼能力改變世界？它又是怎樣製造出來的呢？接下來，中國粉體網編輯將帶您了解與氣凝膠相關的材料科技。

氣凝膠粉體（圖片來源：網絡）

01氣凝膠的定義

據中國粉體網編輯的學習了解，世界上的第一塊氣凝膠由Kistler在1931年製得，Kistler將氣凝膠定義為溼凝膠內的液體被氣體取代，同時在該過程中凝膠骨架為基本不發生變化的多孔材料。在後續的發展中，人們對於氣凝膠有了更深刻、更多樣化的認識，但目前對於氣凝膠的定義尚未有統一的標準。

02氣凝膠的發展過程

氣凝膠的研究發展大致經歷了以下幾個階段：

1931年，Kistler以鹽酸催化水玻璃製得了SiO2溼凝膠，後經溶劑替換和乙醇超臨界乾燥的方法，製得了世界上第一塊SiO2氣凝膠。雖然Kistler所提出的方法對氣凝膠的製備行之有效，但複雜的溶劑替換過程以及耗時的超臨界乾燥工藝卻阻礙了氣凝膠的進一步發展。

1968年，Teichner等提出了一種製備SiO2氣凝膠的新方法，該方法是利用矽的有機醇鹽正矽酸四甲酯(TMOS)替代水玻璃作為前驅體來製備SiO2溼凝膠。該工藝不僅使矽前驅體的水解縮聚過程變得相對簡單且更易調控，同時還避免了後期需要複雜的溶劑替換方法去除NaCl雜質的過程，從而大大加速了氣凝膠的發展。利用此方法，Teichner等後續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製備範圍。

進入到20世紀80年代末期後，氣凝膠迎來了飛躍式的發展。Pekala等成功實現了有機氣凝膠及碳氣凝膠的製備，將氣凝膠的製備範圍由無機領域擴展到了有機領域。此外，在這一時期人們對於氣凝膠在聲、熱、光、電等各方面的物理性能進行了更加深入地研究，氣凝膠在各個領域的應用潛能也被相繼提出並得到了發展。

03氣凝膠材料體系

傳統的氣凝膠材料主要包含無機氧化物（如SiO2）氣凝膠、酚類和甲醛聚合形成的有機氣凝膠（RF氣凝膠）、RF氣凝膠碳化得到的碳氣凝膠以及金屬氧化物氣凝膠，其中，無機氧化物氣凝膠一直是研究人員廣泛研究和關注的材料。此外，各類氧化物氣凝膠的成功製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

近年來，隨著納米材料領域的蓬勃發展，氣凝膠材料領域也出現了石墨烯氣凝膠、碳納米管氣凝膠、陶土氣凝膠、間規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構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，貴金屬已被發現可製成氣凝膠，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

二氧化矽氣凝膠樣品照片(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。由於Al2O3的熔點高於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氣凝膠的製備工藝流程（來源：張澤，等：氣凝膠材料及其應用）

ZrO2氣凝膠：由於ZrO2的表面同時具有酸性中心和鹼性中心以及氧化和還原位點，因此ZrO2可被用作很好的催化劑或催化劑載體。而很多化學反應均在高溫催化下進行，這就要求ZrO2氣凝膠在高溫下應具備很好的熱穩定性，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特性以及氣凝膠比表面積大的結構特性，通常被用於鋰離子電池陰極材料以及超級電容器電極材料的研究。

有機氣凝膠：是由有機單體通過聚合反應形成凝膠後，經過乾燥製得。間苯二酚-甲醛(RF)有機氣凝膠、三聚氰胺-甲醛(MF)有機氣凝膠是目前研究時間最長的兩類有機氣凝膠，它們最早被用作慣性約束聚變實驗中的靶材料。在後續的發展中，RF類有機氣凝膠更多地被用作前驅體製備碳氣凝膠。

碳氣凝膠：由有機氣凝膠(通常為RF類有機氣凝膠)在惰性氣體的保護下經高溫碳化處理後製得。通過改變有機氣凝膠的溶膠-凝膠參數或對碳化工藝進行優化，可以得到所需物理性能最佳的碳氣凝膠。與有機氣凝膠相比，碳氣凝膠具有更高的孔隙率及比表面積、密度變化範圍更廣且擁有很高的電導率，因而應用範圍更加廣泛，尤其在製備慣性約束聚變靶材以及電極材料方面，具有很高的應用價值。

石墨烯氣凝膠：是一種特殊類型的碳氣凝膠，由於該類氣凝膠兼具了石墨烯所特有的理化性質與氣凝膠獨特的結構特性，因而近年來受到越來越多研究者的關注。與普通碳氣凝膠有所不同，該類氣凝膠通常是以氧化石墨烯(GO)為前驅體，後經一定的還原方法(例如水熱還原法、化學還原法等)處理得到石墨烯凝膠，進而通過冷凍乾燥或CO2超臨界乾燥得到石墨烯氣凝膠。

生物質氣凝膠：是以生物質能源為前驅體，經乾燥處理後製得的氣凝膠。與其它種類的氣凝膠相比，生物質氣凝膠具有生物兼容性與生物可降解性的特點，因而可被用於載藥及食品領域。

碳化物氣凝膠：可由碳熱還原反應製得。其發展尚處於起步階段，其合成路線有待被擴充和完善。

04氣凝膠的性能及應用

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、極高的比表面積等優異性能，由於這些出色的特性，氣凝膠被期許為「改變世界的神奇材料」，在熱學、光學、聲學、微電子、催化、航空航天、節能建築等領域具有十分廣闊的應用前景。

熱學領域應用

氣凝膠的微觀結構決定了其熱導率處於非常低的範圍，這是氣凝膠很重要的一個特性，如SiO2氣凝膠的熱導率通常為0.015W/m·k，是優異的絕熱保溫材料，可廣泛應用於保溫領域，如設備保溫、管道保溫、建築外牆保溫等，這是將氣凝膠大規模工業化生產的主要應用方向。

氣凝膠材料作為絕熱材料被越來越多地應用於航空航天和航海領域。據報導，太空飛行器在執行任務期間，夜間的溫度一般會低於–70℃，而採用氣凝膠複合材料對太空飛行器進行保溫時，太空飛行器內部溫度能夠穩定保持在室溫（25℃）左右，這樣可以在外部溫度極端低的情況下，其內部的電子設備不受溫度影響而能正常地執行任務。

聲學領域應用

氣凝膠材料中的聲傳播取決於凝膠間隙中的孔隙性質及氣凝膠密度等。在凝膠網絡傳播過程中，聲波由于波能量逐漸轉移被衰減，所以在振幅和速度上都大大減弱，這使得氣凝膠非常適用於聲學隔音裝置，由於其低聲速特性，氣凝膠是一種理想的聲學延遲及高溫隔音材料。

光學領域應用

氣凝膠材料的光學透射和散射性質是其所具有的另一種重要特性，可將氣凝膠材料製作成透明的隔熱窗戶，既具備常規玻璃的功效，同時起到保溫隔熱作用，有望在房屋、建築物上得到大量應用。另外，儘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。

電學及催化領域應用

氣凝膠的相對介電常數很低（1

吸附和存儲性能

由於氣凝膠由納米顆粒骨架構成，具有高通透性的三維納米網絡結構，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、吸附介質方面有著很大的應用價值。

力學性能

氣凝膠超高的孔隙率使其在力學性能上表現出了高度脆性及易碎的特點，尤其對於眾多無機氣凝膠，脆弱的力學性能是阻礙其應用的關鍵因素。目前，提升無機氣凝膠的力學性能主要從以下3個層面展開。從宏觀層面出發，以纖維作為基材與無機氣凝膠進行複合可顯著提升複合氣凝膠的彈性性能。從粒子層面出發，通過將無機氣凝膠與一些有機化合物進行複合，如環氧樹脂、聚苯乙烯等，可增強無機氣凝膠的骨架結構，從而提升其力學性能。從分子層面出發，使用含有不同有機取代基的前驅體可對無機氣凝膠的力學性能進行改善，該方法目前被廣泛應用於矽系氣凝膠的製備。

除了高度脆性及易碎的特點外，氣凝膠另一個重要的力學特性表現在該類材料具有極低的模量。氣凝膠的Young’s模量為106N/m2數量級，比相應的玻璃態低4個數量級。極低的模量使氣凝膠具有抗震、耐衝擊的特性，若將其進一步製成密度呈梯度變化的塊體材料，可應用於空間高速粒子的捕獲。

醫學領域應用

氣凝膠中的碳氣凝膠具有高孔隙率，同時還具有生物相容性及可生物降解的特性，因而在醫學領域具有廣泛用途。可能的應用包括診斷劑、人造組織、人造器官、器官組件等。氣凝膠的生物學特性特別適用於藥物控制釋放體系，且具有很高的藥物負載量，適用於低毒高效的胃腸外給藥體系。

05氣凝膠的製備

氣凝膠的製備過程主要分為兩步：第一步為通過溶膠-凝膠過程製得凝膠；第二步則是通過一定的乾燥方法將凝膠內的液態物質替換為氣態從而製得氣凝膠。

溶膠–凝膠過程示意圖（來源：張澤，等：氣凝膠材料及其應用）

乾燥過程：通常製備氣凝膠的乾燥方法分為4類：超臨界乾燥、亞臨界乾燥、冷凍乾燥及常壓乾燥。

超臨界乾燥法是指將乾燥溶劑的溫度、壓強均提升至其超臨界點以上，從而消除凝膠孔洞內的氣液界面，是對樣品進行乾燥的方法。

亞臨界乾燥則是將乾燥試劑的溫度、壓強均提升至其超臨界點之下對樣品進行乾燥。與超臨界乾燥相比，亞臨界乾燥的危險程度相對較低。

冷凍乾燥也常常被用於製備氣凝膠，它是一種通過冷凍凝膠孔洞內的液體，進而使其在真空條件下升華從而製得氣凝膠的方法。

常壓乾燥是4種常見的乾燥方法中操作最簡單、使用最經濟的方法。它不需要超臨界乾燥所使用的高壓釜及成本高昂的超臨界乾燥試劑，但需要漫長的溶劑替換過程，從而避免在乾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。

小結

自問世以來，氣凝膠憑藉其獨有的優良特質受到人們的密切關注，然而其複雜的乾燥方法和脆弱的質地極大地限制了它的廣泛應用。研究人員積極探索，將石墨烯等新材料應用於製備氣凝膠，利用有機-無機雜化的方式製備耐久性好的氣凝膠，通過選擇氣凝膠的物質組成改進位備氣凝膠的乾燥方法，取得了許多可喜的進展。儘管如此，氣凝膠的大規模產業應用仍有很長的路要走，簡化氣凝膠乾燥方法，強化氣凝膠力學性能，對氣凝膠進行功能化將是研究人員不懈努力的方向。

參考資料：

張澤，等：氣凝膠材料及其應用，同濟大學物理科學與工程學院

樂弦，等：氣凝膠材料的發展趨勢與應用前景，中國科學院大學材料科學與光電技術學院

沈曉冬，等：氣凝膠納米材料的研究進展，南京工業大學材料科學與工程學院

王真，等：氣凝膠材料研究的新進展，中國科學院化學研究所