气凝胶

　　气凝胶，又称为干凝胶。当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状，这即为干凝胶，也称为气凝胶。

气凝胶概述

　　1931年美国斯坦福大学的Kistler首次合成了气凝胶材料，并创造了“aerogel”这一概念。KistlerZ初设想湿凝胶中包含有与其形状和大小相似的固体网络结构，Z终通过超临界干燥技术实现了这一想法，得到了块状无裂纹、透明、低密度、高孔隙率、与湿凝胶具有相同外形的SiO₂气凝胶。

　　迄今为止，“气凝胶”这一概念没有明确、统一的定义和理解。KistlerZ初描述气凝胶为：在湿凝胶中的固体骨架基本不收缩的情况下，其中的液体被气体取代后得到的一种固体材料。

　　根据Kistler的表述，气凝胶应具备以下特征：①由湿凝胶干燥得到;②干燥过程中湿凝胶无明显收缩、碎裂，典型气凝胶具备完整无裂纹的外观;③具有较高的孔隙率。因此本文主要阐述对象为典型的块状气凝胶。

　　气凝胶种类繁多，一般可根据其成分将气凝胶分为无机气凝胶、有机气凝胶和有机/无机杂化气凝胶。另外还可以根据基体种类分为氧化物气凝胶、碳化物气凝胶、有机气凝胶、炭气凝胶等。虽然气凝胶的种类众多、制备工艺千差万别，但都包括两个必需的步骤，凝胶的制备(即溶胶-凝胶过程)和凝胶的干燥。

　　不同气凝胶的溶胶-凝胶过程实现途径也不尽相同。另外，根据具体情况气凝胶的制备还需要老化、表面改性、溶剂置换等辅助过程。对于炭气凝胶和碳化物气凝胶，还需热处理过程。

气凝胶制备

　　气凝胶材料是一种具有纳米多孔结构的干凝胶。采取传统的低温溶胶-凝胶法制得，多采用超临界干燥法进行干燥。通常所得的气凝胶保留湿凝胶阶段的多孔结构不坍塌。气凝胶具有高的比表面积、低密度及低导热率等特性。

　　合成氧化硅气凝胶主要含有3个步骤：溶胶凝胶的制备、老化(为了防止干燥过程引起孔洞收缩)和干燥(采取特殊条件下干燥以防止结构坍塌)。

　　1、凝胶制备

　　溶胶凝胶法即为溶胶向凝胶转化的过程，缩聚反应生成的聚合物或溶胶粒子聚集长大为小粒子簇，随着小粒子簇的相互碰撞下成为大粒子簇，充满整个容器成为凝胶。

　　整个凝胶过程中胶体粘度变化较大，体系达到凝胶的时间点称之为凝胶时间。胶粒之间进一步发生缩聚反应使溶胶失去流动性，形成内部被溶剂充满、相互连通的三维网络结构凝胶。同时，制备过程中pH值对其水解和缩聚过程影响较大。

　　2、凝胶老化和表面改性

　　由于凝胶形成的初期阶段强度较低，为了防止在干燥过程中应力较大使孔结构坍塌，故而对凝胶进行老化处理提高凝胶强度。老化过程等同于凝胶化的继续过程，在凝胶形成之后，溶液相的单体继续粘结形成网络连接，已经形成的凝胶网络会发生交联，使网络逐渐变粗，凝胶强度从而提高。

　　硅溶胶的老化过程中会发生部分溶解-再缩聚反应，表面能的作用使网络结构变得光滑。经过老化之后的凝胶骨架结构坚固，可以在干燥过程中减少收缩。通常老化期间采用无水乙醇进行溶剂置换，除去凝胶网络中存在的水。

　　3、凝胶干燥

　　通过一定方法制备出的初期凝胶，经过凝胶老化、溶剂置换过程后，此时凝胶的硅氧骨架中孔隙结构被低表面张力的非水溶剂填充，干燥就是为了除去孔隙中的溶剂并且在干燥过程中凝胶孔隙结构不发生坍塌。

　　为了避免结构坍塌，通常采用超临界干燥的方法，在干燥时，将液体在高压下转变为超临界流体的状态，从而消除毛细管力，获得形貌完整的气凝胶。但由于超临界干燥是处于高温高压状态下，有一定危险性。

　　所以，常压干燥制备气凝胶是目前重要的研究方向，而解决常压干燥中孔隙结构不坍塌是研究ZD。其中降低毛细管力是避免坍塌的方法之一，而降低毛细管力Z直观的方法就是选取表面张力低的溶剂。

气凝胶材料的应用领域

　　气凝胶具有极高的孔隙率、极低的密度、极低的声传播速度、极低的介电常数、极高的比表面积等优异性能，在热学、光学、声学、微电子、催化、航空航天、节能建筑等领域具有十分广阔的应用前景。

　　1、热学领域应用

　　气凝胶的微观结构决定了其热导率处于非常低的范围，这是气凝胶很重要的一个特性，如SiO₂气凝胶的热导率通常为0.015W/m·k，这个值比相同环境条件下空气的热导率0.025W/m·k还要低，因此，气凝胶材料是优异的绝热保温材料，可广泛应用于保温领域，如设备保温、管道保温、建筑外墙保温等，这是将气凝胶大规模工业化生产的主要应用方向。

　　SiO₂气凝胶是无定形态且不可燃，如果对其进行机械加固，在制备透明绝缘组件及采光装置上具有巨大的应用潜力。特别地，气凝胶材料作为绝热材料被越来越多地应用于航空航天和航海领域。

　　据报道，航天器在执行任务期间，夜间的温度一般会低于-70℃，而采用气凝胶复合材料对航天器进行保温时，航天器内部温度能够稳定保持在室温(25℃)左右，这样可以在外部温度极端低的情况下，其内部的电子设备不受温度影响而能正常地执行任务。

　　2、声学领域应用

　　气凝胶材料中的声传播取决于凝胶间隙中的孔隙性质及气凝胶密度等。在凝胶网络传播过程中，声波由于波能量逐渐转移被衰减，所以在振幅和速度上都大大减弱，这使得气凝胶非常适用于声学隔音装置，由于其低声速特性，气凝胶是一种理想的声学延迟及高温隔音材料。

　　气凝胶材料的声阻抗可变范围较大(10³~10⁷kg/m²·s)，是一种较理想的超声探测器的声阻耦合材料。气凝胶高孔隙率且超轻质的特点使其成为Z佳的水声反声材料，例如，在潜艇外壳上使用气凝胶材料可使其具有良好的水声反声效果，又不增加潜艇的重量。

　　3、光学领域应用

　　气凝胶材料的光学透射和散射性质是其所具有的另一种重要特性，可将气凝胶材料制作成透明的隔热窗户，既具备常规玻璃的功效，同时起到保温隔热作用，有望在房屋、建筑物上得到大量应用。另外，尽管存在一定程度的散射，但气凝胶的透明度和可见光透射率非常高，可用作高温观察窗口使用。

　　4、机械性能及应用

　　氧化物气凝胶的抗压强度、拉伸强度和弹性模量一般非常低，且存在很大的脆性，这是气凝胶材料工业化过程中Z主要的问题。然而，如果采用一些特殊前驱体，多孔的气凝胶可以被弹性地压缩，且压缩幅度可以达到50%以上。

　　目前为止，研究人员提出了许多增强气凝胶材料机械性能的方法。例如，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)和烷氧基硅共同作为前驱体获得的复合SiO₂气凝胶具有很好的柔韧性。此外，向气凝胶体系中引入同质的柔性纤维，也可使气凝胶材料具备很好的韧性，从而大大扩展了其应用范围。

　　碳气凝胶的机械性能比较优异，可以在一定的条件下变形(如弯曲、压缩、扭转等)并恢复到原来的形状。碳气凝胶具备这种特性的原因是其网络结构具有各向同性。另外，橡胶状的碳纳米管材料即使在极端的环境以及不同的频率下都具有优异的机械性能，这使得该类气凝胶材料在机械及热能储存领域具有潜在的应用价值。

　　一些有机高分子气凝胶，如纤维素气凝胶等，不仅具有高比表面积、低密度，同时还具有很好的延展性及柔韧性，而且纤维素来源丰富，是一类非常有前景的吸附材料。

　　5、电学领域应用

　　气凝胶的相对介电常数很低(1<e<2)，而且可通过改变其密度调节介电常数值。因此，气凝胶可被制成超低介电常数集成电路材料。随着微电子工业的迅速发展，对集成电路运算速度的要求越来越高。一般而言，所用衬底材料介电常数越低，运算速度越快。

　　现在集成电路所用的衬底材料为Al₂O₃，其介电常数为10，目前的趋势是使用聚酰亚胺(e~3)或其他高聚物介电材料替代Al₂O₃，然而，高聚物的热膨胀系数较高，容易引起应力变形。

　　气凝胶具有一些更优越的特性，其介电常数值很低且可以调节，其热膨胀系数与硅材料相近，因此应力很小，而且与聚酰亚胺相比，气凝胶有良好的高温稳定性。因此，如将集成电路所用的衬底材料改成气凝胶薄膜，其运算速度可提高3倍，气凝胶在电学领域展示出了巨大的应用潜力。

　　6、吸附和存储性能

　　由于气凝胶由纳米颗粒骨架构成，具有高通透性的三维纳米网络结构，很高的比表面积和孔隙率，且孔洞又与外界相通，因此具有非常良好的吸附特性，在气体过滤器、吸附介质方面有着很大的应用价值。

　　对比疏水SiO₂气凝胶、活性碳纤维以及活性碳颗粒对吸附介质为苯、甲苯、四氯化碳、乙醛的吸附性能测试结果发现，SiO₂气凝胶的吸附性能较活性碳纤维(ACF)和活性碳颗粒(GAC)更为优越;而和现有的离子交换、蒸发、反相渗透等技术相比，用碳气凝胶进行电吸附去除溶液中的金属离子具有可再生、减少二次污染、节能等优势;并且，碳气凝胶的吸附容量会随着溶液浓度、电压以及比表面积的增加而增加。

　　7、医学领域应用

　　气凝胶中的碳气凝胶具有高孔隙率，同时还具有生物相容性及可生物降解的特性，因而在医学领域具有广泛用途。可能的应用包括诊断剂、人造组织、人造器官、器官组件等。

　　气凝胶的生物学特性特别适用于药物控制释放体系，且具有很高的药物负载量，适用于低毒GX的胃肠外给药体系。通过控制制备条件可以获得具有特殊降解特性的气凝胶，这类气凝胶能在生物体中稳定存在，且根据需要进行控制降解，降解产物无毒。

全碳气凝胶

　　全碳气凝胶，是一种比较具有科学技术的话题。全碳气凝胶的制作在气凝胶的基础之上惨杂了碳，所以被称之为全碳气凝胶。

　　全碳气凝胶呈现出来的感觉就是一种半固态的材料，外表是固态的形状，但是里面有很多空气，以及很多的孔隙，而且密度比空气都还要小。到目前为止，这种材料的诞生，是世界上diyi轻盈的材料，这样的成果，还被刊登于科学领域界Z具权威的杂质上。

　　全碳气凝胶的特点——极轻盈

　　不管全碳气凝胶是什么，你diyi眼看见它的时候，不论是视觉感还是触摸感，就会觉得全碳气凝胶及其的轻盈。这种感觉怎么形容呢?你把它放在手上，眼睛可以看见，但是手上一点感觉都没有，没有什么触感，就是这样的一种极其微妙的感觉，真是感叹人类伟大的思想，还有这种不可思议的物种存在。

　　全碳气凝胶的特点——韧性好

　　虽然比较轻盈，看上去脆弱不堪，但是你别被全碳气凝胶的外表所魅惑了，其实它的柔韧性极其的不错哦。

　　根据研究显示，把这种全碳气凝胶进行多次的蹂躏，甚至把它揉成原来的20%体积，到Z后它都能自己以Z快的速度恢复原状，和碳气凝胶这样的柔韧性都是相差无几的。就算你把它放在狗尾巴草上面，也不会把狗尾巴草压弯。

　　全碳气凝胶的特点——吸油强

　　全碳气凝胶和碳气凝胶虽然只是一字之差，但是其效果和作用在某些程度上也是非常的不一样的。

　　全碳气凝胶另一个特点就是吸油特别强，能够把油完全的吸收，但是就是不吸收水分，是一种比较特别的材料。虽然其他类型的凝胶的吸油力也是极强的，但是全碳气凝胶的吸油力度可以达到普通吸油产品的900倍左右，可想而知，这是多么极具强劲力的产品。

　　全碳气凝胶的特点——高弹性

　　关于全碳气凝胶的Z后一个特点就是弹性了。凝胶在我们的脑海里或许多多少少有一种模糊的印象，和全碳气凝胶联想在一起，你Z开始想到的是什么?

　　前面我们讲过了全碳气凝胶的柔韧性是极好的，可见其弹性的这个特点也是非常的高，弹性而轻盈的材料，将来说不定会成为我们生活中一项必不可少的材料。现在这一项重大的发明还在研究应用性，一旦研发成功的话，在未来的市场上其发展潜力也是我们所期待和盼望的。