气凝胶被称为材料领域的“世界之最”，在保温隔热、节能环保、吸附分离、生物医学、电子信息等众多领域有着广泛而巨大的应用价值，那您知道气凝胶是什么吗？气凝胶有哪些分类以及气凝胶材料特性及应用、生产工艺怎样？气凝胶的发展前景如何？今天就跟随小编的键盘一起认识气凝胶吧~
一、什么是气凝胶
气凝胶，又称为干凝胶，是化学溶液经反应，先形成溶胶，再凝胶化获得的凝胶，除去凝胶中的溶剂，获得的一种空间网状结构中充满气体，外表呈固体状密度极低的(接近空气密度)多孔材料。
气凝胶最初是由 S.Kistler 命名、英文 aerogel(会飞的固体)，由于它是采用超临界干燥方法，成功制备了Si02气凝胶，故将气凝胶定义为:湿凝胶经超临界干燥所得到的材料“称之为气凝胶”。随着常压干燥技术的出现和发展，90 年代中后期，普遍接受的气凝胶的定义是:不论采用何种干燥方法,只要是将湿凝胶的液体被气体所取代，同时凝胶的网络结构基本保留不变，这样所得的材料都称为气凝胶。
气凝胶是目前已知最轻的固体材料，也是迄今为止保温性能最好的材料,在众多领域有着广泛而巨大的应用价值，被称为“改变世界的神奇材料”。
气凝胶是一种内部网络结构充满气体，外表呈现固体状密度极低的多孔材料，是目前最轻的固体材料。它的网络结构一般是由相互交联的纳米颗粒所组成，其中颗粒内部的孔隙主要是微孔，颗粒与颗粒之间则大多是 2 nm 上的中孔或大孔。
二、气凝胶分类
凝胶的分类有多种方法。根据气凝胶的外观，可分为块体、粉末和膜;根据气凝胶的制备方法，可以分为四种类型，包括气凝胶、干凝胶、冻凝胶以及气凝胶相关材料;根据不同的微观结构，可分为微孔(<2nm)气凝胶、中孔(2~50nm)气凝胶和混合多孔气凝胶。最常用的气凝胶分类方法是通过组分来区分，气凝胶材料根据组分的不同，主要可分为氧化物气凝胶材料、炭气凝胶材料（耐高温性可达3000℃）和碳化物气凝胶材料。
1.氧化物气凝胶材料
氧化物气凝胶材料在高温区（＞1000℃）容易发生晶型转变及颗粒的烧结，其耐温性相对较差，但是其在中高温区（＜1000℃）具备较低的热导率。
氧化物气凝胶材料主要有SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2、CuO等。
（1）SiO2气凝胶材料
SiO2气凝胶是目前隔热领域研究最多也是较为成熟的一种耐高温气凝胶，其孔隙率高达80%~99.8%，孔洞的典型尺寸为1~100nm，比表面积为200~1000m2/g，而密度可低达3kg/m3，室温热导率可低达0.012W/（m·K）。
SiO2气凝胶材料通常是将其与红外遮光剂以及增强体进行复合，以提高SiO2气凝胶的隔热和力学性能，使其既具有实用价值的纳米孔超级绝热材料，同时还兼有良好的隔热和力学性能，主要应用于航空航天、军事、电子、建筑、家电和工业管道等领域的保温隔热。
常用的红外遮光剂有碳化硅、TiO2（金红石型和锐钛型）、炭黑、六钛酸钾等；常用的增强材料有陶瓷纤维、无碱超细玻璃纤维、多晶莫来石纤维、硅酸铝纤维、氧化锆纤维等。
（2）ZrO2气凝胶材料
ZrO2气凝胶材料的孔径小于空气分子的平均自由程，在气凝胶中没有空气对流，孔隙率极高，固体所占的体积比很低，使气凝胶的热导率很低。与SiO2气凝胶材料相比，ZrO2气凝胶的高温热导率更低，更适宜于高温段的隔热应用，在作为高温隔热保温材料方面具有极大的应用潜力。目前关于ZrO2气凝胶应用于隔热领域的报道还比较少，研究者主要致力于ZrO2气凝胶制备工艺的研究。
ZrO2气凝胶主要制备方法是由锆盐前驱体通过一系列的水解缩聚过程得到的。其制备主要包括两部分：湿凝胶的制备及干燥。一般采用超临界干燥和冷冻干燥，常用的湿凝胶制备方法有锆醇盐水解法、沉淀法、醇-水溶液加热法、滴加环氧丙烷法和无机分散溶胶-凝胶法。以价格低廉的无机锆盐为前驱体制备ZrO2气凝胶和如何提高氧化锆气凝胶的高温热稳定性是研究者的研究热点之一。
（3）Al2O3气凝胶材料
氧化铝气凝胶材料具有纳米多孔结构、使其具有更轻质量、更小体积达到等效的隔热效果，同时具有高孔隙率、高比表面积和开放的织态结构，在催化剂和催化载体方面具有潜在的应用价值。氧化铝气凝胶还可用作高压绝缘材料，高速或超速集成电路的衬底材料，真空电极的隔离介质以及超级电容器。
2.炭气凝胶材料
炭气凝胶最大的特点就是其在惰性及真空氛围下高达2000℃的耐温性，石墨化后耐温性能甚至能达到3000℃，而且炭气凝胶中的炭纳米颗粒本身就具备对红外辐射极好的吸收性能，从而产生类似于红外遮光剂的效果，因此其高温热导率较低。但是在有氧条件下，炭气凝胶在350℃以上便发生氧化，这使得其在高温隔热领域的应用受到了极大地限制。随着SiC、MoSi2、HfSi2、TaSi2等高抗氧化性涂层的发展，在炭气凝胶材料表面涂覆致密的抗氧化性涂层，阻止氧气的进一步扩散，将使该材料具备极大的应用前景。
3.碳化物气凝胶材料
碳化物材料具备极好的抗氧化性能，但是其本身的热导率较高，将其制成含有三维立体网络状结构的气凝胶，可以极大地降低材料的热导率，进一步提高材料的隔热性能。但是国内外对于碳化物气凝胶的研究还相对较少，特别是对于成形性良好的块状碳化物气凝胶的研究尚处于初始阶段，对于其作为高效隔热材料的研究也较为匮乏，仅限于对该材料的制备与表征。
4.多组分气凝胶材料
多组分气凝胶材料主要有SiO2/Al2O3、TiO2/SiO2、C/SiC、C/SiO2、Si-C-O、Al-C-O等。
当前，二氧化硅气凝胶的绝热性能最为引人注目，技术也最为成熟，国内外气凝胶的产业化发展大多围绕二氧化硅气凝胶绝热应用展开。
三、气凝胶材料特性及应用
气凝胶在力学、声学、热学、光学等诸方面显示出独特性质，其中最为突出的是保温隔热性能，由于其具有的独特性能，气凝胶材料在航空航天、石油化工、电力冶金、船舶车辆、精密仪器、冰箱冷库、服装帐篷、建筑节能等领域都有广阔的应用前景，是传统隔热材料革命性替代产品。伴随着中国经济转型升级，节能降耗政策的持续大力推进，以及中国实施多年的纳米材料战略，气凝胶材料近年来受到了政府、学术界、企业界和投资界的广泛关注。
1、隔热性
SiO2气凝胶材料具有极低的导热系数，可达到0.013-0.016W/(m·K),低于静态空气(0.024W/(m·K))的热导系数,比相应的无机绝缘材料低2-3个数量级。即使在800℃的高温下其导热系数才为0.043W/(m·K)。高温下不分解，无有害气体放出，属于绿色环保型材料。SiO2气凝胶与各种耐热纤维复合后，可制成各种形式的保温材料。可广泛用于工业、建筑、管道、汽车、航天等领域。
2、隔音性
由于硅气凝胶的低声速特性，它还是一种理想的声学延迟或高温隔音材料。该材料的声阻抗可变范围较大(103-107 kg/m2·s)，是一种较理想的超声探测器的声阻耦合材料。初步实验结果表明，密度在300 kg/m3左右的硅气凝胶作为耦合材料，能使声强提高30 dB，如果采用具有密度梯度的硅气凝胶，可望得到更高的声强增益。
3、非线性光学性质
由于硅气凝胶的纳米网络内形成量子点结构，化学气相渗透法掺Si及溶液法掺C60的结果表明，掺杂剂是以纳米晶粒的形式存在，并观察到很强的可见光发射，为多孔硅的量子限制效应发光提供了有力证据。利用硅气凝胶的结构以及C60的非线性光学效应，可进一步研制新型激光防护镜。
4、过滤与催化性质
纳米结构的气凝胶还可作为新型气体过滤，与其它材料不同的是该材料孔洞大小分布均匀，气孔率高，是一种高效气体过滤材料。由于该材料特别大的比表面积，气凝胶在作为新型催化剂或催化剂的载体方面亦有广阔的应用前景。
5、折射率可调性
硅气凝胶的折射率接近1，而且对红外和可见光的湮灭系数之比达100以上，能有效地透过太阳光中的可见光部分，并阻隔其中的红外光部分，成为一种理想的透明隔热材料，在太阳能利用和建筑物节能方面已经得到应用。
6、电性
金属氧化物及有机气凝胶为高等电介质材料之一，其应用方式以气凝胶型态加以区分，以块状气凝胶材质而言，主要可应用于微波及高电压绝缘体，而薄膜气凝胶材质为IC（集成电路）理想电介质材料，并同时具备机械强度佳、高热稳定性及低介电常数等优点。另外，应用方式以气凝胶成分加以区分，以碳黑气凝胶而言，主要功能为具有导电特性，可做为电池与电容器之电极，而金属氧化物气凝胶，则具备超导电、热电及压电特性。
四、气凝胶材料生产工艺
气凝胶制备工艺
目前，二氧化硅气凝胶的制备通常包含溶胶-凝胶和干燥两个主要过程，通过溶胶-凝胶工艺获得所需纳米孔洞和相应凝胶骨架。
根据工艺不同，气凝胶干燥主要分为超临界干燥工艺和常压干燥工艺两种，其他尚未实现批量生产技术的还有真空冷冻干燥、亚临界干燥等。
常压干燥是指在常压环境下对湿凝胶进行溶剂干燥。在干燥过程中不可避免地会在气凝胶孔隙边界出现气-液界面，使气凝胶网络结构发生不可逆收缩，因此常压干燥过程通常需要进行凝胶的表面改性和一系列溶剂置换来降低固体骨架所受到的毛细压力，避免或减少收缩的发生。超临界干燥是指将老化所得的湿凝胶置于高压釜中，用干燥介质替换尽其中的溶剂，将高压釜加热至其中的压力和温度达到包埋在凝胶孔隙中的液体(即干燥介质)的临界温度和临界压力，气液界面消失，毛细压力不复存在，从而避免气凝胶骨架网络在干燥过程中的不可逆收缩。总而言之，现有的二氧化硅气凝胶的制备工艺可以通过干燥手段的不同分为两种，超临界制备和常压干燥制备。
现有工艺的成本主要集中在硅源或前驱体(主要分为有机硅源和无机硅源两种)、修饰剂、及工艺所需设备损耗三个方面。超临界干燥制备的缺点主要是高耗时、高成本、并具有一定的操作难度和危险性：气凝胶渗透率低，导致二氧化碳置换和釜内泄压步骤速度降低，使干燥时间需达到50～70小时，大大影响工业化生产的进程；超临界干燥法所用基本为有机硅源，其价格昂贵且具有一定的毒性；超临界干燥技术的核心设备为高压釜，设备系统比较复杂，就二氧化碳超临界干燥技术而言所需工作压力高达7～20MPa，对设备、成本、操作技术以及安全都会造成负面影响，尤其容易出现设备爆炸，而且运行所需能耗维护费用也较高。常压干燥制备的缺点主要是成品参数较低、工艺整体耗时较高：在气凝胶老化完成后凝胶孔洞表面仍有未参与反应的硅羟基，在常压干燥制备过程中需要采用一定的试剂来反应掉剩余的硅羟基，以避免相互结合使得气凝胶网络结构发生不可逆的收缩；同时还要采用低表面张力的液体置换掉原高表面张力的液体，减小干燥过程中的收缩应力。这些步骤所需时间往往较长，并且由于常压干燥无法解决溶剂(液相)的移出(即干燥过程)对凝胶骨架(固相)的影响，制备过程中不可避免会出现凝胶网络的不可逆收缩现象，因此其成品参数往往较一般。
总的来说，超临界干燥因为其设备要求较高(常用的CO2超临界要求80atm)、维护费用高且总干燥时间较长(气凝胶低渗透率影响)故在工业发展方面受到很大限制。常压干燥较超临界干燥而言设备成本较低，且其硅源来源更广(超临界干燥往往为有机硅源，常压干燥可以为水玻璃等无机硅源也可以为有机硅源)。对于大规模的工业生产来说，低成本的常压干燥技术对气凝胶的商业化、平民化应用更加有推进作用。两种干燥技术各有利弊，超临界干燥技术相对成熟，而常压干燥技术更具拓展空间，常压干燥技术应该代表未来发展方向。
气凝胶复合材料制备工艺
由于气凝胶很脆，基本上无法单独应用，市场上销售的气凝胶多为气凝胶与增强纤维的复合产品。复合的方式大体上分为两种，一种叫原位复合或一次复合，另一种叫两次复合。
一次复合就在气凝胶制备过程的溶胶-凝胶阶段，硅溶胶直接浸润增强纤维，共同经历凝胶老化、改性、干燥，直到产品生产结束。这种方法获得的气凝胶复合材料，相对而言，气凝胶是连续相，纤维是分散相，所得气凝胶产品往往可以获得较低的导热系数，并且产品质量的一致性较好，也是目前国内外气凝胶企业的主流复合方式。
二次复合，就是先制备出气凝胶粉末，然后在设法把气凝胶粉末与纤维复合在一起。这种方法获得产品气凝胶和纤维都不是连续相，气凝胶均匀分散难度较大，目前采用此法的气凝胶企业较少。
五、气凝胶的发展前景
气凝胶材料目前占据了整个绝热材料市场金字塔模型的塔尖部分,但在整个绝热材料市场中的规模几乎微不足道,这一方面说明气凝胶产业仍然处于早期起步阶段,同时又预示着其未来巨大的发展空间。目前制约气凝胶市场拓展的最大障碍是高昂的价格,一旦气凝胶材料的生产成本得以显著下降,市场规模就会急剧扩大,产品销量也会迅速扩大,并将革命性地替代传统绝热材料。
气凝胶材料优越的保温隔热等性能，使得其具有较为广泛的应用价值，将会成为现有保温隔热材料领域重要的潜在替代品，属于国家大力提倡发展的新材料之一。目前我国在气凝胶领域与美国等技术巨头同属于第一梯队，为我国气凝胶产业化发展提供了良好的竞争环境，国内市场发展空间较大。
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