气凝胶材料是一种纳米多孔网络结构的轻质固体材料，具有孔隙率高、比表面积大、密度超低、热导系数低等特质，总结起来就是超轻、超强、超级绝热，故其用途非常广泛，在催化、保温隔热等领域被称为神奇材料。

尤其是在绝热保温领域，室温导热系数可低至0.013w/(m·k)，堪称是最顶级的绝热材料，用一句“yyds”评价毫不为过（yyds，当下很火的网络用语，永远的神拼音简称，意为非常厉害，气凝胶作为当下乃至将来最顶级的绝热材料当仁不让）。

大到航天材料，宇航服消防隔热服；小到保温杯、汽车隔音隔热、港口漏油吸油污，非常宽泛的使用领域让气凝胶在绝热材料市场受到业界高度关注。

气凝胶的绝热特性

1992年，美国学者HUNTAJ提出了超级绝热材料的概念，是在预定的使用条件下，其导热系数低于“无对流空气”导热系数的一种绝热材料。它具有以下特征：

1）几乎所有孔隙特征尺寸在100nm以下，80%以上气孔尺寸在50nm以下；

2）极低的体积密度；

3）在预定使用条件下具有比“无对流空气”更低的导热系数；

4）具有较好的耐高温性能。

几种常见保温材料的导热系数

根据以上特征，气凝胶是一种很好的超级绝热材料。

气凝胶材料

目前高温隔热气凝胶的主要材料为氧化物气凝胶、炭气凝胶和碳化物气凝胶3种。

氧化物气凝胶

氧化物气凝胶是开始研究最早的一种气凝胶且种类繁多，有氧化钨、三氧化二铁、氧化锡、氧化锆、氧化钇等气凝胶，都具有高孔隙率、低热导率等特点。目前研究最多的是二氧化硅气凝胶和氧化铝气凝胶。不仅仅在高温隔热领域，氧化物气凝胶在催化剂及载体、气体过滤、吸附材料等方面都有广泛应用。

1、SiO2气凝胶

二氧化硅气凝胶是高温隔热气凝胶中开始研究最早，研究也相对更成熟的一种气凝胶。该气凝胶的合成方法主要是首先使用溶胶－凝胶法在溶胶中形成网状纳米骨架形成凝胶后，通过超临界干燥法去除骨架之间的溶剂并且完整保留骨架结构。

2、Al2O3气凝胶

氧化铝气凝胶的制备方法与SiO2气凝胶类似，前驱体一般采用醇盐或无机盐。氧化铝的熔点高达2000℃。相比二氧化硅气凝胶，氧化铝气凝胶由于拥有特殊的微观结构，在保持材料耐高温性能的同时提高了材料的隔热性能。但Al2O3气凝胶在1000℃以上使用时同样容易发生烧结(晶型转变)导致材料的隔热性能降低(体积缩减可达50%以上)。通过引入不同元素从而形成多元氧化物气凝胶可以改善Al2O3气凝胶的耐高温性能。

炭气凝胶

氧化物气凝胶在1000℃以上易因晶型转变和烧结而发生塌缩从而影响材料的隔热性能，而炭气凝胶在惰性及真空氛围下耐温可达2000℃以上，且其中的碳纳米颗粒本身就有较好的辐射吸收能力，相当于良好的遮光剂。制备方法是将有机气凝胶干燥和碳化，从而得到炭气凝胶，但缺点是在空气中350℃便会发生氧化。通过在炭气凝胶表面覆涂抗氧化层是一种防止材料氧化的方法，这一研究方向给炭气凝胶带来较好的应用前景。

碳化物气凝胶

碳化物具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、熔点高、硬度高、导电性良好等特点，且机械性能稳定。虽然碳化物本身具有较高的热导率，但将其制成具有极高孔隙率的气凝胶材料之后，可大幅提高隔热能力，作为一种优良的耐高温隔热材料使用。目前碳化物气凝胶的主流研究方向为SiC气凝胶，该气凝胶的合成方法是将二氧化硅气凝胶和碳源混合后进行碳热还原反应从而得到SiC气凝胶。

纯的碳化硅气凝胶虽抗氧化性能优于炭气凝胶，但在高温条件下仍然会发生氧化，且强度较低。将其与其他材料复合或将其表面氧化形成一层致密的氧化膜可以解决这两大问题。

总结

气凝胶具备良好的隔热性能，是目前世界上最轻的固体材料，并且满足A级防火要求，成为一种革命性的保温材料，在航天、军事、民用等领域具有广阔的应用前景。

需要注意的是，在气凝胶应用方面，气凝胶材料低强度高脆性的特点决定了其难以单独作为隔热材料使用，必须要与无机陶瓷纤维之类的增强体进行复合，在制备过程中可通过引入不同种类的高性能无机陶瓷纤维棉和遮光剂，调整遮光剂含量及纤维排布方式，优化工艺条件，制备出热力学综合性能更为优越的高效隔热材料。

参考来源：

[1]博授堂新材料

[2]孙希静.气凝胶复合材料的研究进展

[3]吴晓栋等.耐高温气凝胶隔热材料的研究进展

[4]张驰等.气凝胶隔热复合材料研究进展

[5]郁可葳等.耐高温碳化物气凝胶隔热材料的研究进展