气凝胶自上世纪30年代被发明至今，已经创下了高达15项“吉尼斯世界纪录”，比如是导热系数最低、密度最低的固体材料等等，具有非常神奇的物化性质，可使众多行业、学科产生质的飞跃，因此被用于石化、工业、航天、国防等多个领域。
气凝胶被国际顶级权威学术杂志《科学》列为十大热门科学技术之一，并称其为可以改变世界的多功能新材料。它是全世界广泛关注的新材料，吸引着世界各国科学家倾力研究。
气凝胶是一种由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成纳米多孔网络结构,并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散非晶固态材料。气凝胶在微观上具有纳米尺度的均匀性,其孔洞率高达80%—99.8%,孔洞的典型尺寸为1～100nm,比表面积高达200～1000m2·g-1,而密度变化范围可达3～600kg·m-3。
在基础研究方面,气凝胶的分形结构、动力学性质、低温热学性质以及其网络骨架与吸附分子之间的相互作用等引起人们的浓厚兴趣。在应用方面,气凝胶材料已经应用于催化剂及催化剂载体、火箭推进器的胶化剂、切仑可夫探测器、太阳能收集器、声阻抗耦合材料、气体过滤材料、高效隔热材料、及制备高效可充电电池等。应用领域的研究迫使人们去获取更多的关于气凝胶材料结构的知识和它光学、热学、声学性质的知识,以及其结构控制工艺等。
1931年,Kistler首次利用超临界流体干燥技术制备了气凝胶。Kistler成功地预言了气凝胶将在催化、隔热、玻璃及陶瓷领域得到应用,但由于气凝胶制备过程繁琐而漫长,加之又未发现气凝胶的实际应用价值,当时并没有引起科学界的重视,在此后的30多年里几乎无人问津。
直到1966年,Peri制备了SiO2气凝胶,利用硅酯经一步溶胶—凝胶法制备出氧化硅气凝胶,使干燥周期大大缩短，并采用IR技术研究了它的表面性能。1968年Nicolaon详细研究了多种SiO2气凝胶的制备方法和影响因素,并对所制备的气凝胶进行了表征。1974年Cantin等首次报道了将氧化硅气凝胶应用于Cerenkov探测器。此后,气凝胶作为隔热材料又成功地应用于双面窗。1977年Moutel更为详尽地讨论了制备气凝胶的影响因素,并对200多个样品进行了热稳定性研究。1983年Blanchard等首次制备了二元复合氧化物气凝胶。1985年Tewari采用CO2作为超临界介质成功地进行了湿凝胶的干燥,使干燥温度降至室温,提高了设备的安全可靠性，使得超临界干燥技术得以向实用化阶段迈进。
中国林业科学研究院木材工业研究所卢芸研究员团队以木材为基质，将无机、有机物气凝胶与木材骨架基体复合首创了第三代气凝胶型木材新材料。并且通过对木材及生物质废弃物纤维素的调控，将纤维素比表面积提高了7个数量级，研发了具有独立知识产权的第三代木质纤维素气凝胶。所研发的木材气凝胶导热系数低至0.032 W/m·k，孔隙率在98.5-99.8%之间；且具备可调、可控性，其密度0.2-6 mg/cm3可调，厚度0.5-20 cm可调，界面润湿性可控。产品对油污的吸附能力高达自身质量的75-300倍，体积用量缩减50-75%，具备良好的机械性能，且可降解、可再生。目前已研制亲水和超疏水木材气凝胶两大系列产品，疏水木材气凝胶水接触角在150-156°之间，具有弹性和形状记忆性。卢芸研究员团队在气凝胶研发领域授权国家发明专利18件，荣获梁希林业科学技术奖一等奖1项。
随着国家“双碳”战略的提出，木材作为具有固碳作用、质轻高强的可再生材料，受到建筑、塑料等行业的广泛关注。由于木材气凝胶与天然木材相比，具有更低的密度、更低的导热系数和更高的可变形性，使得其在很多领域具有广泛的应用或潜在的应用前景。
与传统绝热材料相比，气凝胶超级绝热材料可以用更轻的质量、更小的体积达到等效的隔热效果，这一特点使其在航空航天应用领域具有举足轻重的优势。航空发动机的隔热材料使用气凝胶既能起到极好的隔热作用，又减轻了发动机重量。
工业节能中，纳米孔超级绝热材料也起着非常重要的作用，其中有些特殊的部位和环境，由于受重量、体积和空间的限制，气凝胶超级绝热材料就可以发挥更大的作用。而且气凝胶的耐高温防火特性，在化工领域设备的保温上应用更加适合。
气凝胶及其复合材料在不同建筑领域，有不同的应用，可以起到卓有成效的节能效果。材料包括气凝胶毡/板、气凝胶保温砂浆、气凝胶阳光板，气凝胶隔热涂料等。
因气凝胶具备良好的隔热保温和隔声性能，在交通领域主要应用在汽车防火隔热保温降噪层、大容量电池组防火防水保温盒，危险化学品运输车、液化天然气运输船等特种运输工具的保温防火层，高铁和地铁车体保温隔热降噪防火层等。
气凝胶因其极大的比表面积及其特殊的纳米多孔网状结构，使其具有很好的吸附性能，是活性炭吸附能力的6倍，可广泛应用于废水处理、水体净化和油污吸附以及VOCs气体吸附，是一种新型绿色环保吸附材料。
气凝胶在日常生活中也大有用武之地。气凝胶优异的隔热性能，可作为鞋垫、运动鞋、服装的填充层，在较低温度下进行保温。现在高端化妆品行业、体育用品行业也将气凝胶应用于产品中。随着人们对气凝胶的认识和研究的普及，相信它的应用领域会越来越大。
近日，中国科学技术大学俞书宏院士和管庆方副教授团队报道了一种由纯天然成分组成的纯天然仿木材气凝胶，并开发了一种激活表面惰性木材颗粒来构筑气凝胶的方法。所得的仿木材气凝胶具有与天然木材相似的通道结构，使其具有优于大多数现有商业海绵的隔热性能。此外，还兼具优异的阻燃性和完全可生物降解性。相关工作以“An all-natural wood-inspired aerogel”为题于11月23日发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。
与木质隔热材料相比，仿木材气凝胶在轴向导热和径向导热方面都具有很大的优势。与目前最先进的纤维素纳米纤维基各向异性隔热气凝胶相比，仿木材气凝胶具有相似的径向导热系数，但轴向导热系数明显更低。此外，仿木材气凝胶的隔热性能也优于大多数现有的商业低密度材料。再加上纯天然仿木材气凝胶的生物降解性，该材料有望成为现有商业隔热海绵材料的理想替代品。
美国普林斯顿大学研究人员在最新一期《今日材料》杂志上发表论文称，他们发现了一种方法，可以将蛋清变为一种新材料，以较低成本去除海水中的盐和微塑料，效率分别为98%和99%。
在最新研究中，普林斯顿大学创新学院副院长克雷格·阿诺德领导的团队，用蛋清制造了一种气凝胶，这种轻质多孔材料可用于多个领域，包括水过滤、储能、隔音和隔热。阿诺德指出：“是蛋清中的蛋白质催生了我们需要的结构。”
蛋清是一种几乎纯粹由蛋白质组成的复杂系统，将其在无氧环境中冷冻干燥并加热至900℃时，会形成碳纤维和石墨烯薄片相互连接的结构——最新气凝胶正由横跨碳纤维网络的石墨烯薄片形成。阿诺德团队提供的数据表明，所得材料可分别以98%和99%的效率去除海水中的盐和微塑料。
气凝胶从发现至今其技术步入成熟阶段，目前正处在产业化浪潮的快速发展中。随着气凝胶工艺成本的降低和产业规模的不断扩大，一些新兴应用不断开发出来，气凝胶市场日益成熟。2010年开始，国内首批气凝胶生产企业陆续成功开拓了工业设备管道节能、新能源汽车安全防护、轨交车厢及船体防火隔热保温的应用市场。2020年中国气凝胶制品产量约为12.6万吨，气凝胶材料产量约为10万立方米，气凝胶行业规模约29.9亿元。
2021年10月24日正式发布的《中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》文件中，明确提出“推动气凝胶等新型材料研发应用”，说明气凝胶符合国家“双碳”战略目标，因此气凝胶的发展近期受到了越来越多的关注。
站在国家“双碳”和“十四五”高质量发展的赛道上，气凝胶行业大有可为。在国家大力提倡节能的背景下，保温材料市场容量将大幅增加。传统的保温材料虽然具有一定保温性能，也能一定程度上满足原先化工、电力、钢铁等行业的节能要求，但是在“双碳”目标下，自身也面临生产过程中的能耗需要进一步降低，保温性能需要进一步提升等问题。气凝胶保温材料性能优异，正是传统保温材料的革命性升级替代产品。气凝胶材料在国家发展改革委发布《国家重点节能低碳技术推广目录》（2014~2017年）中多次被列入。横跨新材料和节能环保两大战略新兴产业，自身发展过程中也能享受很多国家产业升级、绿色低碳技术相关政策支持，这些在“双碳”目标下，将转化为自身发展的重大机遇。Kaiyun App下载 全站Kaiyun App下载 全站开云 开云体育平台开云 开云体育平台