氣凝膠材料自1931年Kistler首次制備氧化硅氣凝膠以來，其分類體系經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜的發(fā)展過程。早期以化學(xué)組分劃分為主，如無機(jī)氣凝膠（SiO?）、有機(jī)氣凝膠（RF樹脂）和碳?xì)饽z。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，分類標(biāo)準(zhǔn)逐漸擴(kuò)展到微觀結(jié)構(gòu)（納米球/片層/管狀）、功能特性（導(dǎo)電/絕緣/催化）及制備方法（溶膠-凝膠/模板法/發(fā)泡法）等維度。這種多維分類體系的建立，為氣凝膠材料的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和性能調(diào)控提供了理論基礎(chǔ)。

化學(xué)組分導(dǎo)向的分類體系

無機(jī)氣凝膠

以氧化硅氣凝膠為代表，其納米微球結(jié)構(gòu)賦予材料超低導(dǎo)熱系數(shù)（<0.013 W/m·K）。NASA開發(fā)的柔性氣凝膠氈已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，但脆性缺陷限制了其工程應(yīng)用。近年來通過引入橋聯(lián)氧化硅單體（如乙烯基硅氧烷）實(shí)現(xiàn)力學(xué)增強(qiáng)，使材料韌性提升3倍以上。

有機(jī)高分子氣凝膠

酚醛樹脂基RF氣凝膠具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性（耐溫>200℃），但密度偏高（>0.1 g/cm3）。纖維素氣凝膠通過單向冷凍法可制備各向異性結(jié)構(gòu)，其隔熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)泡沫材料。原料可再生性和生物降解性使其成為環(huán)保領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。

碳系氣凝膠

間苯二酚-甲醛體系制備的碳?xì)饽z具有獨(dú)特導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（電導(dǎo)率>10 S/cm），在超級(jí)電容器領(lǐng)域展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。中國科學(xué)院金屬研究所開發(fā)的高強(qiáng)韌碳?xì)饽z（斷裂韌性1.01 MPa·m1/2）成功通過1.6噸汽車碾壓試驗(yàn)，為極端環(huán)境熱防護(hù)系統(tǒng)提供新方案。

什么是復(fù)合氣凝膠

復(fù)合氣凝膠通過組分協(xié)同突破單一材料性能瓶頸。各種結(jié)合不同化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)的復(fù)合氣凝膠賦予氣凝膠不同復(fù)合物的優(yōu)異性能，解決單一組分氣凝膠面臨的問題，提升目標(biāo)氣凝膠的綜合性能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與性能的調(diào)控。與單一組分氣凝膠相比，復(fù)合氣凝膠的制備方法與單一氣凝膠類似，包括前驅(qū)體溶液的制備、凝膠化、干燥等基本步驟。最大的不同在于前驅(qū)體的調(diào)控，可將混合溶液放置在模具中，待成型后凝膠、干燥。原料之間的質(zhì)量配比、反應(yīng)時(shí)間和溫度、交聯(lián)劑的種類及濃度等因素至關(guān)重要。

例如，Wang等采用定向冷凍法、控制不同填料比等方式來調(diào)控氣凝膠的序列化微結(jié)構(gòu)，成功制備出一種具有優(yōu)異的屏蔽性能、導(dǎo)電性、力學(xué)性能及突出熱穩(wěn)定性的納米纖維素/Ti3C2Tx MXene復(fù)合氣凝膠。該材料電磁屏蔽性能的極大提升得益于氣凝膠內(nèi)部的序列化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及MXene組分，電磁波在材料內(nèi)部不斷反射與吸收，最終逐漸耗散，從而達(dá)到屏蔽效果。這種微結(jié)構(gòu)調(diào)控策略以及超高屏蔽效能的序列化3D結(jié)構(gòu)的制備能有效拓展氣凝膠在電磁屏蔽領(lǐng)域中的應(yīng)用。

典型及新型氣凝膠種類有哪些

近年來氣凝膠的迭代發(fā)展非常迅速，各類基于新構(gòu)建單元（前驅(qū)體）的氣凝膠被不斷合成。以下簡要概括并介紹典型及新型氣凝膠種類，包括氧化硅氣凝膠、纖維素氣凝膠、碳?xì)饽z、石墨烯及氧化石墨烯氣凝膠、硫族化合物氣凝膠、新型納米管氣凝膠、納米金屬氣凝膠及超分子氣凝膠等。

氧化硅氣凝膠（silica aerogel）

氧化硅氣凝膠于1931年被Kistler首次制備成功，導(dǎo)熱系數(shù)非常低，在隔熱保溫領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。作為現(xiàn)存最有效的絕緣體之一，美國國家航空航天局與工業(yè)界合作，在20世紀(jì)90年代創(chuàng)造了世界上第一塊實(shí)用且柔軟的氣凝膠氈，助力火箭燃料低溫運(yùn)行與航天材料的應(yīng)用。但是材料價(jià)格相對(duì)昂貴且存在脆性的缺點(diǎn)。近年來氧化硅氣凝膠的主要研究重心在于引入有機(jī)基團(tuán)實(shí)現(xiàn)其力學(xué)增強(qiáng)與增韌，如采用橋聯(lián)氧化硅單體、乙烯基硅氧烷單體等，都取得了巨大的成功。

纖維素氣凝膠（cellulose aerogel）

纖維素氣凝膠以納米纖維為構(gòu)建單元，是近年來開發(fā)出的新品種，具有原料來源廣泛、綠色環(huán)保、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)。如采用單向冷凍或雙向冷凍法制備的各向異性纖維素基氣凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱性能，且顯著優(yōu)于商品化的發(fā)泡聚苯乙烯、聚氨酯泡沫等隔熱材料。該種氣凝膠基于可再生材料，相比其它更加綠色、降低能源消耗。

碳?xì)饽z（carbon aerogel）

碳?xì)饽z及其復(fù)合氣凝膠具有低密度、低模量、導(dǎo)電性好、吸光率高等特性，可用來制備壓力傳感器材料以及超級(jí)電容器電極材料等。經(jīng)典做法是將間苯二酚與甲醛混合，Na2CO3發(fā)揮催化作用，以溶膠-凝膠法為主，往往需在氮?dú)饣蛘邭鍤鈿夥毡Ｗo(hù)下升至高溫并恒溫處理數(shù)小時(shí)，以進(jìn)行碳化處理，最終干燥得到碳?xì)饽z。

氧化石墨烯氣凝膠（graphene oxide aerogel）

氧化石墨烯氣凝膠具有三維連續(xù)多孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，兼?zhèn)溲趸﹥?yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)和氣凝膠的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，集超大比表面積、極高孔隙率、超低密度、超低熱導(dǎo)率、強(qiáng)疏水性、強(qiáng)吸附性、高彈耐壓性、高導(dǎo)電性等優(yōu)異性能于一體，在能源存儲(chǔ)、傳感、催化、吸附及油水分離、環(huán)境保護(hù)、降解與屏蔽等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景，是近年來的新型熱門材料之一。

Gao等在該領(lǐng)域做了大量開創(chuàng)性研究工作。2013年以石墨烯為壁、碳納米管為骨架，協(xié)同組裝成兼具優(yōu)異彈性、導(dǎo)電性、吸油性且超輕量的全碳?xì)饽z，密度僅為空氣密度的六分之一，可以穩(wěn)定地浮于麥穗表面。低溫下采用無模板“溶膠-冷凍”法處理石墨烯和碳納米管的混合溶液，凍干獲得形狀可任意調(diào)節(jié)的氣凝膠，大大簡化了組裝過程，邁出了超輕氣凝膠舉足輕重的一步。2018年提出了多級(jí)分層協(xié)同組裝策略制備高度可拉伸的全碳?xì)饽z彈性體。石墨烯和碳納米管之間的分層結(jié)構(gòu)和協(xié)同效應(yīng)使材料實(shí)現(xiàn)了200%的伸長率。超低密度（5.7 mg·cm?3）、優(yōu)異抗疲勞性（10?次循環(huán)拉伸）等，為其在應(yīng)變傳感器、柔性可穿戴設(shè)備、智能機(jī)器人及航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。該組裝策略可精確控制整體結(jié)構(gòu)層次且操作簡單，是一種精確制造高循環(huán)拉伸性氣凝膠和其它無機(jī)彈性體的普適方法。

目前石墨烯氣凝膠（graphene aerogel，簡稱GA）的常規(guī)制備方法包括溶膠-凝膠法和模板法。其中溶膠-凝膠法受限于干燥成本高、微觀形貌調(diào)控難；模板法涉及模板的祛除，限制了GA的連續(xù)化批量生產(chǎn)，同時(shí)造成不可避免的模板邊界界面結(jié)構(gòu)的缺陷。基于石墨烯片層的溶致塑性，近日Gao等提出了“溶致塑化發(fā)泡”法，類似聚合物泡沫的“熱塑發(fā)泡”法，可實(shí)現(xiàn)GA的大規(guī)模連續(xù)化與高精度微型化制備，避免了特定干燥過程中高能耗和模板的引入。得益于溶致塑化與氣泡張力的共同作用，氣凝膠中的搭接缺陷很大程度上得以消除，因此該法制得的GA具有優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性，能夠用于超靈敏GA微陣列觸覺傳感器。

硫族化合物氣凝膠（chalcogenide aerogel）

基于半導(dǎo)體II~VI或IV~VI骨架制成的硫族化合物氣凝膠的生產(chǎn)策略涉及結(jié)晶性納米粒子的組裝、超臨界干燥等，通過控制表面封端硫醇基團(tuán)的氧化損失實(shí)現(xiàn)凝膠化。所得多孔性半導(dǎo)體材料（例如PbS、CdSe、CdS、ZnS氣凝膠）具有高比表面積，同時(shí)顯示出獨(dú)特的特征光學(xué)性質(zhì)。

Brock課題組在硫族化合物氣凝膠方面做了大量創(chuàng)新性工作。團(tuán)隊(duì)提出涉及量子點(diǎn)效應(yīng)的溶膠-凝膠法、水基共價(jià)金屬離子交聯(lián)策略等；研究了CdS氣凝膠在可見光照射下對(duì)有機(jī)染料的降解催化效率、初級(jí)組裝粒子形狀對(duì)氣凝膠孔隙率、機(jī)械強(qiáng)度、發(fā)光強(qiáng)度、熱電等基本性能的影響；并總結(jié)了其在傳感、光伏、光催化領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

新型納米管氣凝膠（novel nanotube aerogel）

新型納米管氣凝膠的開發(fā)為氣凝膠的結(jié)構(gòu)和性能調(diào)控提出了新思路。在氣凝膠多孔結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，引入連續(xù)空芯結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升了氣凝膠的隔熱性能。

例如，Du等通過模仿北極熊毛發(fā)的膜孔結(jié)構(gòu)，以碳?xì)饽z為犧牲骨架，結(jié)合化學(xué)氣相沉積法，獲得了新型二氧化硅納米管氣凝膠。該材料具有優(yōu)良的保溫隔熱性能和遠(yuǎn)紅外阻隔能力，其纖細(xì)的納米管狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了瑞利散射，使其可見光和近紅外線的透射率高而紫外透射率很低，為高緯度地區(qū)或太空的高效采光、集熱和紫外防護(hù)問題提供了解決方案。

Yu等同樣受北極熊毛發(fā)中空結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，以一維納米線作為模板，合成了一種中空碳納米管氣凝膠。由于獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，該新型碳管氣凝膠表現(xiàn)出超輕、超隔熱、超疏水、超彈性和優(yōu)異機(jī)械性能。有望滿足極端條件下對(duì)高性能材料的需求，例如航天航空領(lǐng)域中輕量化隔熱保溫材料、彈性體材料等。

金屬氣凝膠（metal aerogel）

作為一類新興多孔材料，金屬氣凝膠（metal aerogel，簡稱MA）近年來引起了極大的關(guān)注。其結(jié)合了金屬和氣凝膠的特征，有望成為催化性能優(yōu)異的新型電催化劑。

Eychmüller和Du等揭示出貴金屬凝膠的自修復(fù)行為，開發(fā)了一種非常規(guī)的新型快速膠凝策略，在室溫下1~10 min內(nèi)即可生成各種本體金屬凝膠（包括Au、Ag、Pd、Rh等）。實(shí)驗(yàn)基于凝膠化過程中引入的擾動(dòng)場(chǎng)可以促進(jìn)物質(zhì)運(yùn)輸并誘導(dǎo)加速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的機(jī)理。光照下MA的活性提高了45.5%，電流密度提高了7.3倍，為MA光電催化性能研究開創(chuàng)了先河。

超分子氣凝膠（supramolecular aerogel）

超分子氣凝膠是近年來成功制備的新品種之一。超分子體系是指通過次級(jí)相互作用（非共價(jià)鍵）構(gòu)筑而成的組裝體，由于超分子作用通常為動(dòng)態(tài)作用，具有可逆性，因此在智能識(shí)別、可控釋放、有序組裝、智能響應(yīng)、形狀記憶等領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用價(jià)值。環(huán)糊精（cyclodextrin，簡稱CD）是一類由吡喃葡萄糖單元構(gòu)成的大環(huán)分子，能夠通過包結(jié)作用與多種小分子、金屬離子以及聚合物形成主-客體包結(jié)物，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)客體分子理化性能的調(diào)控。通過α-CD與聚乙二醇（polyethylene glycol，簡稱PEG）在水中自組裝形成超分子水凝膠，再通過超臨界二氧化碳干燥得到超分子聚輪烷氣凝膠，所得氣凝膠微塊體材料，能夠支撐自身重量1000倍以上的重物，具有管道結(jié)晶和PEG結(jié)晶雙晶區(qū)，將氣凝膠的隔熱性能和相變儲(chǔ)能功能有機(jī)融合一體。通過超分子相互作用交聯(lián)形成的超分子水凝膠在生物醫(yī)學(xué)、智能水凝膠和刺激反應(yīng)系統(tǒng)領(lǐng)域中的有趣應(yīng)用引起了極大的關(guān)注。因其具有可降解、可逆、生物相容性和可注射性，可用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域，如組織工程、藥物輸送和細(xì)胞成像。

應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)突破

能源存儲(chǔ)：石墨烯氣凝膠基超級(jí)電容器能量密度達(dá)56 Wh/kg（功率密度1.2 kW/kg）

環(huán)境治理：CdS氣凝膠對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附容量達(dá)850 mg/g（30 min內(nèi)完成）

柔性電子：全碳?xì)饽z應(yīng)變傳感器靈敏度GF=21.3（0-100%應(yīng)變）

航空航天：納米管氣凝膠在-196℃至800℃溫區(qū)內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)波動(dòng)<5%

未來發(fā)展方向

多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：發(fā)展4D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)空可控的異質(zhì)結(jié)構(gòu)

綠色制備工藝：開發(fā)常壓干燥替代超臨界干燥（能耗降低80%）

智能響應(yīng)功能：構(gòu)建pH/光/磁多刺激響應(yīng)的超分子網(wǎng)絡(luò)

生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用：開發(fā)可注射型氣凝膠載藥系統(tǒng)（載藥量>20%）

當(dāng)前，氣凝膠材料正從單一功能向多功能集成發(fā)展，從實(shí)驗(yàn)室制備向規(guī)模化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型。通過精準(zhǔn)控制化學(xué)組分和微觀結(jié)構(gòu)，有望開發(fā)出具有革命性性能的新一代功能材料，在極端環(huán)境防護(hù)、智能傳感、清潔能源等戰(zhàn)略領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。