我们正处于探索外层空间的新竞赛之中，新材料处于技术进步的前沿。考虑宇航服的需求。它必须保护宇航员免受太空极端温度的影响，同时尽可能轻薄以帮助机动性。

NASA 开发了用于太空探索的气凝胶绝缘材料，但近年来，气凝胶已经商业化，并在其他各种领域得到了应用。

气凝胶是极好的绝热体。在这里，一块气凝胶保护一朵花免受喷灯的伤害。

气凝胶是一种先进材料，由于其超多孔结构，工程师不仅可以为宇航服和车辆设计新的隔热材料，还可以设计过滤器、电池、太阳能集热器等。

然而，“气凝胶”不是一种材料。相反，它们是一种特殊形式的固体，可以由二氧化硅、聚合物、氧化物、碳和其他材料制成。尽管气凝胶是固体，但它们包含许多微小的空隙或“孔隙”，以至于它们主要由空气组成。

在本文中，我们将回答以下问题：

• 什么是气凝胶？
• 如何制作气凝胶？
• 气凝胶的主要特性是什么？
• 气凝胶的应用有哪些？
• 什么是气凝胶？

气凝胶是超多孔材料，这意味着虽然它们是固体，但它们充满了称为孔隙的微小充气孔。这些孔隙是气凝胶独特性能的关键。虽然许多材料都是多孔的，例如泡沫和某些陶瓷，但气凝胶是一种极端情况。

在气凝胶中，孔隙构成了大部分材料，从而形成了一种超轻的固体材料。气凝胶中的毛孔也非常小，远小于人的头发，而且小到肉眼无法看到。因此，气凝胶是如此轻盈和半透明，以至于它们有“固体云”和“冻烟”之类的绰号。

气凝胶的主要特性是什么？

气凝胶是多孔的，其体积的 95% 是空气，这赋予了它们各种不同寻常的特性。其中之一是它们属于有史以来制造或发现的最轻的材料，这使得它们在重量减轻至关重要的航空航天应用中特别有用。

气凝胶的特性包括：

• 极低密度
• 非常低的热导率
• 用于催化或电化学反应的高表面积
• 半透明

这些独特特性的关键在于气凝胶不仅具有高度多孔性，而且孔隙也非常小——太小而无法用人眼看到。这意味着气凝胶不仅受益于孔隙内空气的低导热性，而且空气不易流动，进一步增强了其作为热绝缘体的能力。

如何制作气凝胶？

尽管它们的名字，气凝胶不是凝胶，它们是 高度多孔的固体，主要由空气组成。气凝胶从液体开始，转变为凝胶，然后液体被去除。它们独特的孔结构是通过保留微小颗粒在液相中结合在一起时产生的结构而形成的。

诀窍是去除液体，同时保留颗粒之间的空间。这些空间成为气凝胶中的孔隙。

最常见的气凝胶类型是通过“溶胶-凝胶”工艺由二氧化硅制成的：

“溶胶”是通过将微小的固体颗粒与液体溶剂混合制成的。

溶胶通过添加催化剂将颗粒彼此结合，使混合物固化，从而制成“凝胶”。

液体溶剂通过干燥去除，只留下固体气凝胶。

气凝胶的加工对于创造其独特的微观结构至关重要。如果没有半液态凝胶相留下的超小孔，气凝胶就不会具有如此低的密度或如此出色的绝热体。

气凝胶的应用有哪些？

气凝胶不是一种特定的材料，而是一种经过加工使其具有额外多孔性的材料。最常见的气凝胶由二氧化硅（二氧化硅）制成；但也有由石墨烯、氧化铁、聚合物等制成的气凝胶。

气凝胶也以多种形式出现，包括厚砖、柔性片材和薄涂层。气凝胶可用于多种应用，并可在市场上买到用作绝缘材料。然而，研究人员一直在为这些非凡的材料开发其他几种技术应用。

气凝胶绝缘

气凝胶的低导热性和低密度使它们成为一种极好的绝缘材料。作为额外的好处，气凝胶非常轻，几乎不会给结构增加任何重量，这使得它们非常适合太空旅行，因为每公斤都需要花钱才能进入太空。气凝胶也是极好的绝缘体，它们可用于需要柔韧性的薄层，例如太空服。

一些气凝胶是半透明的，这意味着它们可以用于传统绝缘材料无法做到的地方，例如窗户和太阳能电池板。无论是用于地面建筑的天窗还是未来太空栖息地的窗户，气凝胶都能传输光，但会阻止热量的传递。

这使得它们非常适合使结构更容易加热和冷却，同时也让更多的自然光进入。气凝胶还被用作下一代太阳能集热器的涂层，其中气凝胶允许光通过但防止热量逸出。

气凝胶阻止热量流动的能力也使其成为一种有用的伪装形式，并且气凝胶涂层已被测试为一种躲避红外摄像机的方法。

吸附器和过滤器

的内部气凝胶微小孔隙授予他们特别高的比表面积，这意味着大量的固体材料是与周围环境接触。当气凝胶由吸引和粘附某些分子或颗粒的材料制成时，它们可以用作过滤器和吸附剂，将物质捕获在孔隙内。

硅胶是一种极好的干燥剂，可与食品一起使用在化学上是安全的。

气凝胶吸附剂的一个熟悉的亲戚是硅胶，它通常用作干燥剂以去除空气中的水分。大多数人都熟悉用于在空调系统和其他应用中保持食物和其他物品干燥的硅胶包。硅胶吸水饱和后，可以通过在烤箱中加热来“充电”，从而蒸发其孔隙表面的水分，使其干燥并可以再次使用。

可吸收的水量随着比表面积的增加而增加。由于气凝胶具有比传统硅胶更高的比表面积，因此气凝胶在其捕获水分的能力方面提供了更大的改进。

先进技术应用

气凝胶的高比表面积意味着它们与环境接触的材料量特别大。这使得气凝胶可用于大量的化学和电化学过程，可以通过最大化溶液和固体基质之间的接触面积来改进这些过程。

这些包括用作催化剂或催化剂基质用于各种工业化学过程以及电极在下一代超级电容器。

美国宇航局使用气凝胶捕获星尘号航天器上的太空尘埃颗粒。颗粒在与固体碰撞时蒸发并穿过气体，但可能会被困在气凝胶中。NASA 还使用气凝胶为火星探测器隔热。

由于气凝胶是一种可以由多种材料制成的结构，研究人员不断开发新的气凝胶和使用它们的新方法。随着更多新材料转化为气凝胶，它们将推动新技术的发展，例如新型超级电容器、抗菌涂层、溢油吸收垫、骨植入物等。

由于低导热性、低密度、高表面积和半透明性的独特组合，气凝胶正在发展成为各种尖端材料技术。

作者： 韦德·兰宁 材料科学与工程博士 2019 年 11 月 4 日

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