基本概念

气凝胶是一种以纳米胶体粒子相互聚集构成纳米骨架和纳米多孔网络结构，并且在孔隙中充满气态分散介质的轻质固态材料 

发展历程

• 起源：1931 年，美国化学家 Samuel Stephens Kistler 制备出世界上第一块气凝胶 。
• 早期局限：此后由于凝胶孔径为纳米量级，传质速率低，水洗、醇水交换等步骤低效、费时，产品纯度难以保证，且当时未发现实际应用价值，其应用研究受限 。
• 发展突破：1968 年，法国的 Nicoloan 等人利用正硅酸甲酯经一步溶胶 - 凝胶法制备出氧化硅气凝胶，缩短了干燥周期。1985 年，美国劳伦斯伯克力国家实验室使用毒性较低的正硅酸乙酯代替正硅酸甲酯作硅源前驱体，并用 CO2 代替乙醇作为超临界干燥介质，提高了生产安全性，推动了气凝胶的商业化进程 。

特性

• 低密度：是世界上密度最小的固体之一，最轻的气凝胶仅有 0.16 毫克每立方厘米，比空气密度略低 。
• 高孔隙率：内部有 99% 是由气体组成，孔隙极小，一般在几个纳米左右 。
• 低热导率：有非常好的隔热效果，一寸厚的气凝胶相当 20 至 30 块普通玻璃的隔热功能 。
• 低声阻抗：具备特殊的声学特性，在隔音方面有一定优势 。
• 高比表面积：拥有较大的比表面积，使其在吸附、催化等方面表现出色 。

制备方法

• 溶胶 - 凝胶法：通过控制溶液的水解和缩聚反应条件，在溶体内形成不同结构的纳米团簇，团簇之间相互粘连形成凝胶体，再经过干燥处理得到气凝胶 。
• 超临界干燥技术：将凝胶置于压力容器中加温升压，使凝胶内的液体发生相变成超临界态的流体，气液界面消失，表面张力不复存在，此时将这种超临界流体从压力容器中释放，可得到多孔、无序、具有纳米量级连续网络结构的低密度气凝胶材料 。

分类

• 硅系气凝胶：如二氧化硅气凝胶，是最常见的气凝胶类型，具有良好的隔热性能和化学稳定性 2。
• 碳系气凝胶：例如全碳气凝胶，密度极低，力学性能相对较好 。
• 硫系气凝胶：有其独特的物理化学性质，在某些特定领域有应用潜力 。
• 金属氧化物系气凝胶：包括氧化铝、氧化铁等气凝胶，具有较高的硬度和耐高温性能 。
• 金属系气凝胶：如镍构成的气凝胶，具备特殊的金属特性 。

应用领域

• 航空航天：用于行器的隔热罩、减速器的柔性热保护系统、空间推进系统的冷冻管隔热层、航天服等，如俄罗斯 “和平” 号空间站、美国 “火星探路者” 探测器、中国 “长征五号” 运载火箭和 “祝融号” 火星车都曾使用气凝胶作为绝热保温材料 。
• 汽车电池：应用于三元电池热失控隔热，延缓或阻止热扩散及火焰蔓延；也可使磷酸铁锂电池内各电芯不受外部低温影响，提升电池性能 。
• 建筑：可制作新型高效隔热复合材料，用于节能建筑领域，具有隔热、防火阻燃、隔音、透光等性能；还能与普通玻璃结合制成薄膜，提高节能保温效果，也可用于高层建筑减轻建筑质量 。
• 电子电工：作为低介电常数的介电材料，可解决电路内部易产生的串扰、互连延迟、功率损耗增加等问题；还可用作微波介质材料，如微带天线，提高天线增益和带宽 。
• 吸附与环保：功能性纤维素气凝胶在吸附二氧化碳、甲醛等气体，以及去除废水中的重金属离子、有机染料、有机溶剂和油污水等方面具有天然优势 。
• 能源存储：气凝胶的导电性使其内部的三维网络骨架结构可提供较高的比表面积，为电荷运输提供高端导电通道，可用于超级电容器、锂离子电池电极材料等 。

发展趋势

随着制备工艺不断完善和科技水平不断发展，气凝胶的生产成本有望降低，其在更多领域的应用将得到拓展和深化，例如在服装领域，虽然目前面临一些技术难题，但研究人员正在努力改善其力学性能和加工工艺，以实现其在日常防寒保暖服装中的大规模应用 。