關(guān)于氣凝膠及其復(fù)合材料的應(yīng)用，你了解多少？
關(guān)于氣凝膠

圖片來源：科邁斯
氣凝膠（aerogel）是由膠體粒子或聚合物分子相互聚集構(gòu)成的微納多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在孔隙中充滿空氣分散介質(zhì)的一種新型輕質(zhì)固體材料，具有極低的表觀密度（可低至0.002gcm-3）、高孔隙率（80%-99.8%）、高比表面積（100-2000m2g-1）等特點(diǎn)，從而使其具有良好的阻隔性能、極低的熱導(dǎo)率（0.01-0.04Wm-1K-1）以及高吸附、催化和負(fù)載能力等優(yōu)異性能。因此，氣凝膠有望作為隔熱保溫材料、阻燃材料、隔音材料、高效吸附材料、催化劑載體材料、光學(xué)器件及電極能源材料等得到廣泛應(yīng)用，被視為“未來最具潛力的十大材料之一”。
氣凝膠分類
根據(jù)氣凝膠的骨架組成物質(zhì)將其分為三類：無機(jī)氣凝膠，主要類型有硅氣凝膠和金屬氧化物氣凝膠；有機(jī)氣凝膠，該類型使用的前軀體多為間苯二酚-甲醛；碳?xì)饽�膠，在惰性氣氛和高溫的條件下，碳化有機(jī)氣凝膠只保留碳骨架結(jié)構(gòu)。除此之外，根據(jù)氣凝膠材料干燥方法的不同，可以分為常壓干燥氣凝膠、冷凍干燥氣凝膠和超臨界干燥氣凝膠三種類型。
氣凝膠復(fù)合材料

圖片來源網(wǎng)絡(luò)
氣凝膠復(fù)合材料簡單易懂來說是氣凝膠+復(fù)合結(jié)構(gòu)材料通過工藝變成氣凝膠復(fù)合材料。氣凝膠性能最高，但其較低的強(qiáng)度和韌性等限制了材料的廣泛應(yīng)用。為提高氣凝膠材料的韌性和強(qiáng)度，各種增強(qiáng)材料（金屬/氧化物、纖維、無紡布和薄膜等）與氣凝膠材料進(jìn)行復(fù)合后制得了具有獨(dú)特性能的氣凝膠復(fù)合材料。
氣凝膠及其復(fù)合材料應(yīng)用
1.氣凝膠在隔熱保溫方面的應(yīng)用
隔熱材料（即熱絕緣材料）可以對熱量傳遞有很好的阻隔作用，是一類阻礙熱傳遞的功能性材料。該材料被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。氣凝膠可以被用作隔熱板應(yīng)用在建筑物的外墻，起到保溫的作用。氣凝膠隔熱材料的使用既不會增加建筑外墻的厚度，還可以節(jié)省建筑材料，降低建筑成本。除此以外，氣凝膠還可以對氣體運(yùn)輸管道進(jìn)行隔熱和保溫，對管道起到保護(hù)的作用。
2.氣凝膠在聲學(xué)方面的應(yīng)用
氣凝膠具有很低的密度，可以使得聲波在氣凝膠中的傳播速率大大降低，二氧化硅氣凝膠的密度為0.2g/cm3，聲波在氣凝膠中的傳播速率為100m/s。除此以外，氣凝膠的質(zhì)量較輕，而且無污染，是一種非常好的吸聲材料，被廣泛應(yīng)用到建筑領(lǐng)域。在城市中的住房和工廠的建設(shè)中使用氣凝膠材料，氣凝膠可以吸附城市噪音以及工廠中生產(chǎn)制造的噪音污染。
3.氣凝膠在電學(xué)方面的應(yīng)用
氣凝膠的介電常數(shù)較低而且具有可調(diào)控性，因此，氣凝膠可以作為襯底材料用于集成電路中。一般來說，襯底材料所具有的介電常數(shù)與電子的運(yùn)算速率成反比，即介電常數(shù)越大，運(yùn)算速率越慢。氣凝膠材料的介電常數(shù)較小，可以有效提高電子的運(yùn)算速率。比如，二氧化硅氣凝膠的介電常數(shù)很低，僅1.008C2/(N·M2)，以此作為襯底材料，可以使得電子的運(yùn)算速率達(dá)到很快的速度。而且，氣凝膠是一種電絕緣材料，避免了電路漏電的可能。除了以上的應(yīng)用領(lǐng)域以外，氣凝膠材料也被廣泛應(yīng)用到了光學(xué)方面和化學(xué)催化劑載體方面等。
4.氣凝膠在水處理方面的應(yīng)用
氣凝膠是一種多孔材料，具有許多優(yōu)異的特性，如密度較低，大的比表面積和高的孔隙率等。這些特性的存在使得氣凝膠可以作為吸收水資源中的化學(xué)污染品的材料來使用，優(yōu)點(diǎn)在于，氣凝膠材料不僅不會對水資源造成污染，又能快速的清理污染品，清潔水質(zhì)，而且價格低廉。
5.氧化物及其復(fù)合氣凝膠
氧化物氣凝膠屬于氣凝膠領(lǐng)域較成熟的種類，通常采用醇鹽或鹽類作為前驅(qū)體，采用酸堿兩步催化方法制備而成，兼具氧化物及氣凝膠兩者的特性，在氧化物原有優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上附加了輕質(zhì)、高孔隙率、高比表面積等特性，拓展了氧化物氣凝膠材料的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，氧化物氣凝膠研究較多的主要是SiO2、TiO2、ZrO2和Al2O3氣凝膠及復(fù)合氣凝膠。

6.碳化物及其復(fù)合氣凝膠
碳化物是一種高硬度、高熔點(diǎn)和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的化合物，一般通過原位生成法制得，在制備過程中控制工藝參數(shù)將碳化物制成氣凝膠結(jié)構(gòu)，可提升氣凝膠材料的使用溫度，進(jìn)而拓展在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用，如航天航空、高溫窯爐、核能等領(lǐng)域。
7.氮化物及其復(fù)合氣凝膠
氮化物氣凝膠是一種新型的無機(jī)氣凝膠，目前的研究主要集中在Si3N4氣凝膠和BN氣凝膠，還涉及了少量其他氮化物氣凝膠的研究，如C3N4氣凝膠和氮化釩(VN)氣凝膠。將氮化物材料制備成多孔氣凝膠結(jié)構(gòu)，將兼具氣凝膠與氮化物的優(yōu)異特性，這對于拓展氮化物材料的應(yīng)用具有十分重要的意義，但是國內(nèi)外對于氮化物氣凝膠的研究尚處于基礎(chǔ)階段，該類氣凝膠的研究仍有較大發(fā)展空間。
8.聚合物基有機(jī)氣凝膠
聚合物基有機(jī)氣凝膠是以高聚物分子通過與膠體粒子之間以氫鍵或范德華力相結(jié)合而形成的具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物與傳統(tǒng)的無機(jī)氣凝膠相比，有機(jī)氣凝膠性能主要取決于聚合物種類，因此聚合物基有機(jī)氣凝膠具有靈活的設(shè)計性和性能可調(diào)性。聚合物基有機(jī)氣凝膠主要有聚氨酯(PU)、聚脲(PUA)、聚酰亞胺(PI)等研究較多的聚合物基有機(jī)氣凝膠，隨著研究的深入還出現(xiàn)了間規(guī)聚苯乙烯(sPS)、聚間苯二胺(PmPD)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚酰胺(PA)、聚吡咯(pPy)等其他聚合物基氣凝膠的研究報道。
9.石墨烯氣凝膠
石墨烯氣凝膠(GA)又稱石墨烯泡沫、石墨烯海綿或者石墨烯宏觀結(jié)構(gòu)體。除了具有C氣凝膠的一系列優(yōu)異特性外，GA還因構(gòu)筑單元優(yōu)異的理化性能而具備大孔結(jié)構(gòu)和超彈性等獨(dú)特性能，進(jìn)而成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。
10.量子點(diǎn)氣凝膠
將量子點(diǎn)(QDs)引入氣凝膠，能夠得到既具備QDs良好光學(xué)、催化性能，同時具備氣凝膠吸附、傳感、隔熱保溫等特性的量子點(diǎn)氣凝膠。量子點(diǎn)氣凝膠作為一種新興技術(shù)材料，其優(yōu)異的性能將迅速成為研究熱點(diǎn)。下面將從催化、傳感、電池、生物成像以及熒光等應(yīng)用領(lǐng)域分別介紹量子點(diǎn)氣凝膠的研究現(xiàn)狀。
11.生物質(zhì)基有機(jī)及C氣凝膠
繼氧化物、碳化物、氮化物等無機(jī)氣凝膠和聚合物基傳統(tǒng)有機(jī)氣凝膠的研究之后，生物質(zhì)基有機(jī)氣凝膠憑借原料的分布廣泛和獲取方式簡易等優(yōu)勢而受到極大的關(guān)注。同時，生物質(zhì)基原料往往綠色無毒，普遍具有生物相容性、生物可降解性等特點(diǎn)，這極符合當(dāng)前綠色化學(xué)理念。
氣凝膠材料目前存在問題及發(fā)展方向
1.形成機(jī)制有待進(jìn)一步研究。雖然碳化物、氮化物、量子點(diǎn)、生物質(zhì)基有機(jī)及碳?xì)饽�膠等新型氣凝膠材料已經(jīng)得以成功制備，但是此類氣凝膠材料合成機(jī)制研究尚不夠深入，同時氣凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)生長機(jī)制、表面組成及化學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)控和高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性調(diào)控等需要進(jìn)一步研究，后期需要將目光集中在量子化學(xué)及分子動力學(xué)計算和實(shí)驗研究相結(jié)合上，實(shí)現(xiàn)從分子、原子層面對氣凝膠材料的形成機(jī)制進(jìn)行深入研究和對氣凝膠材料的性能進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)控。
2.功能型氣凝膠材料的研究有待繼續(xù)深入。氣凝膠在電極材料、半導(dǎo)體材料、磁性材料等方面的應(yīng)用研究還不夠完善，有關(guān)結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的研究尚不深入，需要進(jìn)一步研究其內(nèi)在機(jī)制，揭示性能和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)，同時高性能、多功能型氣凝膠材料還有待對氣凝膠材料的性能進(jìn)一步開發(fā)。
3.規(guī)�；�生產(chǎn)問題還未解決。在工業(yè)生產(chǎn)方面，氣凝膠因成本較高、施工不易限制了其規(guī)�；瘧�(yīng)用，需要采用成本更加低廉的前驅(qū)體，結(jié)合成本更低的干燥手段，使生產(chǎn)工藝得到完善，進(jìn)一步降低氣凝膠材料的成本，推動氣凝膠的工業(yè)化生產(chǎn)。只有這樣，氣凝膠材料才有望在今后成為推動社會發(fā)展變革的超級材料，為人類的生活帶來真正意義上的革新。
參考資料：
[1]吳曉棟,宋梓豪,王偉,崔藝,黃舜天,嚴(yán)文倩,馬悅程,趙一帆,黃龍金,李博雅,林本蘭,崔升,沈曉冬. 氣凝膠材料的研究進(jìn)展[J]. 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2020,42(04):405-451.  [2]郎咸華. 氣凝膠復(fù)合材料的制備以及性能研究[D].青島科技大學(xué),2018.

為了更好的了解氣凝膠材料，“2021綠色復(fù)合材料論壇”特誠邀 中科院蘇州納米所 張學(xué)同研究員 蒞臨本次大會，分享《氣凝膠相變材料主客體復(fù)合：設(shè)計、制備及應(yīng)用》主題報告。
本報告將重點(diǎn)介紹其在氣凝膠相變材料主客體復(fù)合方面的最新進(jìn)展，內(nèi)容涉及主客體復(fù)合材料的設(shè)計、制備及應(yīng)用等。
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