氣凝膠，又稱為干凝膠。當(dāng)凝膠脫去大部分溶劑，使凝膠中液體含量比固體含量少得多，或凝膠的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中充滿的介質(zhì)是氣體，外表呈固體狀，這即為干凝膠，也稱為氣凝膠。

1931年美國(guó)斯坦福大學(xué)的Kistler首次合成了氣凝膠材料，并創(chuàng)造了“aerogel”這一概念。Kistler最初設(shè)想濕凝膠中包含有與其形狀和大小相似的固體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最終通過(guò)超臨界干燥技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這一想法，得到了塊狀無(wú)裂紋、透明、低密度、高孔隙率、與濕凝膠具有相同外形的SiO2氣凝膠。

迄今為止，“氣凝膠”這一概念沒(méi)有明確、統(tǒng)一的定義和理解。Kistler最初描述氣凝膠為：在濕凝膠中的固體骨架基本不收縮的情況下，其中的液體被氣體取代后得到的一種固體材料。

根據(jù)Kistler的表述，氣凝膠應(yīng)具備以下特征：①由濕凝膠干燥得到;②干燥過(guò)程中濕凝膠無(wú)明顯收縮、碎裂，典型氣凝膠具備完整無(wú)裂紋的外觀;③具有較高的孔隙率。因此本文主要闡述對(duì)象為典型的塊狀氣凝膠。

氣凝膠種類繁多，一般可根據(jù)其成分將氣凝膠分為無(wú)機(jī)氣凝膠、有機(jī)氣凝膠和有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化氣凝膠。另外還可以根據(jù)基體種類分為氧化物氣凝膠、碳化物氣凝膠、有機(jī)氣凝膠、炭氣凝膠等。雖然氣凝膠的種類眾多、制備工藝千差萬(wàn)別，但都包括兩個(gè)必需的步驟，凝膠的制備(即溶膠-凝膠過(guò)程)和凝膠的干燥。

不同氣凝膠的溶膠-凝膠過(guò)程實(shí)現(xiàn)途徑也不盡相同。另外，根據(jù)具體情況氣凝膠的制備還需要老化、表面改性、溶劑置換等輔助過(guò)程。對(duì)于炭氣凝膠和碳化物氣凝膠，還需熱處理過(guò)程。

氣凝膠材料是一種具有納米多孔結(jié)構(gòu)的干凝膠。采取傳統(tǒng)的低溫溶膠-凝膠法制得，多采用超臨界干燥法進(jìn)行干燥。通常所得的氣凝膠保留濕凝膠階段的多孔結(jié)構(gòu)不坍塌。氣凝膠具有高的比表面積、低密度及低導(dǎo)熱率等特性。

合成氧化硅氣凝膠主要含有3個(gè)步驟：溶膠凝膠的制備、老化(為了防止干燥過(guò)程引起孔洞收縮)和干燥(采取特殊條件下干燥以防止結(jié)構(gòu)坍塌)。

1、凝膠制備

溶膠凝膠法即為溶膠向凝膠轉(zhuǎn)化的過(guò)程，縮聚反應(yīng)生成的聚合物或溶膠粒子聚集長(zhǎng)大為小粒子簇，隨著小粒子簇的相互碰撞下成為大粒子簇，充滿整個(gè)容器成為凝膠。

整個(gè)凝膠過(guò)程中膠體粘度變化較大，體系達(dá)到凝膠的時(shí)間點(diǎn)稱之為凝膠時(shí)間。膠粒之間進(jìn)一步發(fā)生縮聚反應(yīng)使溶膠失去流動(dòng)性，形成內(nèi)部被溶劑充滿、相互連通的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝膠。同時(shí)，制備過(guò)程中pH值對(duì)其水解和縮聚過(guò)程影響較大。

2、凝膠老化和表面改性

由于凝膠形成的初期階段強(qiáng)度較低，為了防止在干燥過(guò)程中應(yīng)力較大使孔結(jié)構(gòu)坍塌，故而對(duì)凝膠進(jìn)行老化處理提高凝膠強(qiáng)度。老化過(guò)程等同于凝膠化的繼續(xù)過(guò)程，在凝膠形成之后，溶液相的單體繼續(xù)粘結(jié)形成網(wǎng)絡(luò)連接，已經(jīng)形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)會(huì)發(fā)生交聯(lián)，使網(wǎng)絡(luò)逐漸變粗，凝膠強(qiáng)度從而提高。

硅溶膠的老化過(guò)程中會(huì)發(fā)生部分溶解-再縮聚反應(yīng)，表面能的作用使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得光滑。經(jīng)過(guò)老化之后的凝膠骨架結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可以在干燥過(guò)程中減少收縮。通常老化期間采用無(wú)水乙醇進(jìn)行溶劑置換，除去凝膠網(wǎng)絡(luò)中存在的水。

3、凝膠干燥

通過(guò)一定方法制備出的初期凝膠，經(jīng)過(guò)凝膠老化、溶劑置換過(guò)程后，此時(shí)凝膠的硅氧骨架中孔隙結(jié)構(gòu)被低表面張力的非水溶劑填充，干燥就是為了除去孔隙中的溶劑并且在干燥過(guò)程中凝膠孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)生坍塌。

為了避免結(jié)構(gòu)坍塌，通常采用超臨界干燥的方法，在干燥時(shí)，將液體在高壓下轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界流體的狀態(tài)，從而消除毛細(xì)管力，獲得形貌完整的氣凝膠。但由于超臨界干燥是處于高溫高壓狀態(tài)下，有一定危險(xiǎn)性。

所以，常壓干燥制備氣凝膠是目前重要的研究方向，而解決常壓干燥中孔隙結(jié)構(gòu)不坍塌是研究重點(diǎn)。其中降低毛細(xì)管力是避免坍塌的方法之一，而降低毛細(xì)管力最直觀的方法就是選取表面張力低的溶劑。

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，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。

1、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，這個(gè)值比相同環(huán)境條件下空氣的熱導(dǎo)率0.025W/m·k還要低，因此，氣凝膠材料是優(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。

SiO2氣凝膠是無(wú)定形態(tài)且不可燃，如果對(duì)其進(jìn)行機(jī)械加固，在制備透明絕緣組件及采光裝置上具有巨大的應(yīng)用潛力。特別地，氣凝膠材料作為絕熱材料被越來(lái)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(duì)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)。

2、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(guò)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。

氣凝膠材料的聲阻抗可變范圍較大(103~107kg/m2·s)，是一種較理想的超聲探測(cè)器的聲阻耦合材料。氣凝膠高孔隙率且超輕質(zhì)的特點(diǎn)使其成為最佳的水聲反聲材料，例如，在潛艇外殼上使用氣凝膠材料可使其具有良好的水聲反聲效果，又不增加潛艇的重量。

3、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(jiàn)光透射率非常高，可用作高溫觀察窗口使用。

4、機(jī)械性能及應(yīng)用

氧化物氣凝膠的抗壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和彈性模量一般非常低，且存在很大的脆性，這是氣凝膠材料工業(yè)化過(guò)程中最主要的問(wèn)題。然而，如果采用一些特殊前驅(qū)體，多孔的氣凝膠可以被彈性地壓縮，且壓縮幅度可以達(dá)到50%以上。

目前為止，研究人員提出了許多增強(qiáng)氣凝膠材料機(jī)械性能的方法。例如，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)和烷氧基硅共同作為前驅(qū)體獲得的復(fù)合SiO2氣凝膠具有很好的柔韌性。此外，向氣凝膠體系中引入同質(zhì)的柔性纖維，也可使氣凝膠材料具備很好的韌性，從而大大擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。

碳?xì)饽z的機(jī)械性能比較優(yōu)異，可以在一定的條件下變形(如彎曲、壓縮、扭轉(zhuǎn)等)并恢復(fù)到原來(lái)的形狀。碳?xì)饽z具備這種特性的原因是其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有各向同性。另外，橡膠狀的碳納米管材料即使在極端的環(huán)境以及不同的頻率下都具有優(yōu)異的機(jī)械性能，這使得該類氣凝膠材料在機(jī)械及熱能儲(chǔ)存領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

一些有機(jī)高分子氣凝膠，如纖維素氣凝膠等，不僅具有高比表面積、低密度，同時(shí)還具有很好的延展性及柔韌性，而且纖維素來(lái)源豐富，是一類非常有前景的吸附材料。

5、電學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用

氣凝膠的相對(duì)介電常數(shù)很低(1 e 2)，而且可通過(guò)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。隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)集成電路運(yùn)算速度的要求越來(lái)越高。一般而言，所用襯底材料介電常數(shù)越低，運(yùn)算速度越快。

現(xiàn)在集成電路所用的襯底材料為Al2O3，其介電常數(shù)為10，目前的趨勢(shì)是使用聚酰亞胺(e~3)或其他高聚物介電材料替代Al2O3，然而，高聚物的熱膨脹系數(shù)較高，容易引起應(yīng)力變形。

氣凝膠具有一些更優(yōu)越的特性，其介電常數(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。

6、吸附和存儲(chǔ)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(guò)濾器、吸附介質(zhì)方面有著很大的應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)比疏水SiO2氣凝膠、活性碳纖維以及活性碳顆粒對(duì)吸附介質(zhì)為苯、甲苯、四氯化碳、乙醛的吸附性能測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SiO2氣凝膠的吸附性能較活性碳纖維(ACF)和活性碳顆粒(GAC)更為優(yōu)越;而和現(xiàn)有的離子交換、蒸發(fā)、反相滲透等技術(shù)相比，用碳?xì)饽z進(jìn)行電吸附去除溶液中的金屬離子具有可再生、減少二次污染、節(jié)能等優(yōu)勢(shì);并且，碳?xì)饽z的吸附容量會(huì)隨著溶液濃度、電壓以及比表面積的增加而增加。

7、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用

氣凝膠中的碳?xì)饽z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。通過(guò)控制制備條件可以獲得具有特殊降解特性的氣凝膠，這類氣凝膠能在生物體中穩(wěn)定存在，且根據(jù)需要進(jìn)行控制降解，降解產(chǎn)物無(wú)毒。

全碳?xì)饽z，是一種比較具有科學(xué)技術(shù)的話題。全碳?xì)饽z的制作在氣凝膠的基礎(chǔ)之上慘雜了碳，所以被稱之為全碳?xì)饽z。

全碳?xì)饽z呈現(xiàn)出來(lái)的感覺(jué)就是一種半固態(tài)的材料，外表是固態(tài)的形狀，但是里面有很多空氣，以及很多的孔隙，而且密度比空氣都還要小。到目前為止，這種材料的誕生，是世界上第一輕盈的材料，這樣的成果，還被刊登于科學(xué)領(lǐng)域界最具權(quán)威的雜質(zhì)上。

全碳?xì)饽z的特點(diǎn)——極輕盈

不管全碳?xì)饽z是什么，你第一眼看見(jiàn)它的時(shí)候，不論是視覺(jué)感還是觸摸感，就會(huì)覺(jué)得全碳?xì)饽z及其的輕盈。這種感覺(jué)怎么形容呢?你把它放在手上，眼睛可以看見(jiàn)，但是手上一點(diǎn)感覺(jué)都沒(méi)有，沒(méi)有什么觸感，就是這樣的一種極其微妙的感覺(jué)，真是感嘆人類偉大的思想，還有這種不可思議的物種存在。

全碳?xì)饽z的特點(diǎn)——韌性好

雖然比較輕盈，看上去脆弱不堪，但是你別被全碳?xì)饽z的外表所魅惑了，其實(shí)它的柔韌性極其的不錯(cuò)哦。

根據(jù)研究顯示，把這種全碳?xì)饽z進(jìn)行多次的蹂躪，甚至把它揉成原來(lái)的20%體積，到最后它都能自己以最快的速度恢復(fù)原狀，和碳?xì)饽z這樣的柔韌性都是相差無(wú)幾的。就算你把它放在狗尾巴草上面，也不會(huì)把狗尾巴草壓彎。

全碳?xì)饽z的特點(diǎn)——吸油強(qiáng)

全碳?xì)饽z和碳?xì)饽z雖然只是一字之差，但是其效果和作用在某些程度上也是非常的不一樣的。

全碳?xì)饽z另一個(gè)特點(diǎn)就是吸油特別強(qiáng)，能夠把油完全的吸收，但是就是不吸收水分，是一種比較特別的材料。雖然其他類型的凝膠的吸油力也是極強(qiáng)的，但是全碳?xì)饽z的吸油力度可以達(dá)到普通吸油產(chǎn)品的900倍左右，可想而知，這是多么極具強(qiáng)勁力的產(chǎn)品。

全碳?xì)饽z的特點(diǎn)——高彈性

關(guān)于全碳?xì)饽z的最后一個(gè)特點(diǎn)就是彈性了。凝膠在我們的腦海里或許多多少少有一種模糊的印象，和全碳?xì)饽z聯(lián)想在一起，你最開始想到的是什么?

前面我們講過(guò)了全碳?xì)饽z的柔韌性是極好的，可見(jiàn)其彈性的這個(gè)特點(diǎn)也是非常的高，彈性而輕盈的材料，將來(lái)說(shuō)不定會(huì)成為我們生活中一項(xiàng)必不可少的材料?，F(xiàn)在這一項(xiàng)重大的發(fā)明還在研究應(yīng)用性，一旦研發(fā)成功的話，在未來(lái)的市場(chǎng)上其發(fā)展?jié)摿σ彩俏覀兯诖团瓮摹?/p>