氣凝膠，又稱為干凝膠。當凝膠脫去大部分溶劑，使凝膠中液體含量比固體含量少得多，或凝膠的空間網狀結構中充滿的介質是氣體，外表呈固體狀，這即為干凝膠，也稱為氣凝膠。

1931年美國斯坦福大學的Kistler首次合成了氣凝膠材料，并創(chuàng)造了“aerogel”這一概念。Kistler最初設想濕凝膠中包含有與其形狀和大小相似的固體網絡結構，最終通過超臨界干燥技術實現了這一想法，得到了塊狀無裂紋、透明、低密度、高孔隙率、與濕凝膠具有相同外形的SiO2氣凝膠。

迄今為止，“氣凝膠”這一概念沒有明確、統(tǒng)一的定義和理解。Kistler最初描述氣凝膠為：在濕凝膠中的固體骨架基本不收縮的情況下，其中的液體被氣體取代后得到的一種固體材料。

根據Kistler的表述，氣凝膠應具備以下特征：①由濕凝膠干燥得到;②干燥過程中濕凝膠無明顯收縮、碎裂，典型氣凝膠具備完整無裂紋的外觀;③具有較高的孔隙率。因此本文主要闡述對象為典型的塊狀氣凝膠。

氣凝膠種類繁多，一般可根據其成分將氣凝膠分為無機氣凝膠、有機氣凝膠和有機/無機雜化氣凝膠。另外還可以根據基體種類分為氧化物氣凝膠、碳化物氣凝膠、有機氣凝膠、炭氣凝膠等。雖然氣凝膠的種類眾多、制備工藝千差萬別，但都包括兩個必需的步驟，凝膠的制備(即溶膠-凝膠過程)和凝膠的干燥。

不同氣凝膠的溶膠-凝膠過程實現途徑也不盡相同。另外，根據具體情況氣凝膠的制備還需要老化、表面改性、溶劑置換等輔助過程。對于炭氣凝膠和碳化物氣凝膠，還需熱處理過程。

氣凝膠材料是一種具有納米多孔結構的干凝膠。采取傳統(tǒng)的低溫溶膠-凝膠法制得，多采用超臨界干燥法進行干燥。通常所得的氣凝膠保留濕凝膠階段的多孔結構不坍塌。氣凝膠具有高的比表面積、低密度及低導熱率等特性。

合成氧化硅氣凝膠主要含有3個步驟：溶膠凝膠的制備、老化(為了防止干燥過程引起孔洞收縮)和干燥(采取特殊條件下干燥以防止結構坍塌)。

1、凝膠制備

溶膠凝膠法即為溶膠向凝膠轉化的過程，縮聚反應生成的聚合物或溶膠粒子聚集長大為小粒子簇，隨著小粒子簇的相互碰撞下成為大粒子簇，充滿整個容器成為凝膠。

整個凝膠過程中膠體粘度變化較大，體系達到凝膠的時間點稱之為凝膠時間。膠粒之間進一步發(fā)生縮聚反應使溶膠失去流動性，形成內部被溶劑充滿、相互連通的三維網絡結構凝膠。同時，制備過程中pH值對其水解和縮聚過程影響較大。

2、凝膠老化和表面改性

由于凝膠形成的初期階段強度較低，為了防止在干燥過程中應力較大使孔結構坍塌，故而對凝膠進行老化處理提高凝膠強度。老化過程等同于凝膠化的繼續(xù)過程，在凝膠形成之后，溶液相的單體繼續(xù)粘結形成網絡連接，已經形成的凝膠網絡會發(fā)生交聯，使網絡逐漸變粗，凝膠強度從而提高。

硅溶膠的老化過程中會發(fā)生部分溶解-再縮聚反應，表面能的作用使網絡結構變得光滑。經過老化之后的凝膠骨架結構堅固，可以在干燥過程中減少收縮。通常老化期間采用無水乙醇進行溶劑置換，除去凝膠網絡中存在的水。

3、凝膠干燥

通過一定方法制備出的初期凝膠，經過凝膠老化、溶劑置換過程后，此時凝膠的硅氧骨架中孔隙結構被低表面張力的非水溶劑填充，干燥就是為了除去孔隙中的溶劑并且在干燥過程中凝膠孔隙結構不發(fā)生坍塌。

為了避免結構坍塌，通常采用超臨界干燥的方法，在干燥時，將液體在高壓下轉變?yōu)槌R界流體的狀態(tài)，從而消除毛細管力，獲得形貌完整的氣凝膠。但由于超臨界干燥是處于高溫高壓狀態(tài)下，有一定危險性。

所以，常壓干燥制備氣凝膠是目前重要的研究方向，而解決常壓干燥中孔隙結構不坍塌是研究重點。其中降低毛細管力是避免坍塌的方法之一，而降低毛細管力最直觀的方法就是選取表面張力低的溶劑。

氣凝膠具有極高的孔隙率、極低的密度、極低的聲傳播速度、極低的介電常數、極高的比表面積等優(yōu)異性能，在熱學、光學、聲學、微電子、催化、航空航天、節(jié)能建筑等領域具有十分廣闊的應用前景。

1、熱學領域應用

氣凝膠的微觀結構決定了其熱導率處于非常低的范圍，這是氣凝膠很重要的一個特性，如SiO2氣凝膠的熱導率通常為0.015W/m·k，這個值比相同環(huán)境條件下空氣的熱導率0.025W/m·k還要低，因此，氣凝膠材料是優(yōu)異的絕熱保溫材料，可廣泛應用于保溫領域，如設備保溫、管道保溫、建筑外墻保溫等，這是將氣凝膠大規(guī)模工業(yè)化生產的主要應用方向。

SiO2氣凝膠是無定形態(tài)且不可燃，如果對其進行機械加固，在制備透明絕緣組件及采光裝置上具有巨大的應用潛力。特別地，氣凝膠材料作為絕熱材料被越來越多地應用于航空航天和航海領域。

據報道，航天器在執(zhí)行任務期間，夜間的溫度一般會低于-70℃，而采用氣凝膠復合材料對航天器進行保溫時，航天器內部溫度能夠穩(wěn)定保持在室溫(25℃)左右，這樣可以在外部溫度極端低的情況下，其內部的電子設備不受溫度影響而能正常地執(zhí)行任務。

2、聲學領域應用

氣凝膠材料中的聲傳播取決于凝膠間隙中的孔隙性質及氣凝膠密度等。在凝膠網絡傳播過程中，聲波由于波能量逐漸轉移被衰減，所以在振幅和速度上都大大減弱，這使得氣凝膠非常適用于聲學隔音裝置，由于其低聲速特性，氣凝膠是一種理想的聲學延遲及高溫隔音材料。

氣凝膠材料的聲阻抗可變范圍較大(103~107kg/m2·s)，是一種較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料。氣凝膠高孔隙率且超輕質的特點使其成為最佳的水聲反聲材料，例如，在潛艇外殼上使用氣凝膠材料可使其具有良好的水聲反聲效果，又不增加潛艇的重量。

3、光學領域應用

氣凝膠材料的光學透射和散射性質是其所具有的另一種重要特性，可將氣凝膠材料制作成透明的隔熱窗戶，既具備常規(guī)玻璃的功效，同時起到保溫隔熱作用，有望在房屋、建筑物上得到大量應用。另外，盡管存在一定程度的散射，但氣凝膠的透明度和可見光透射率非常高，可用作高溫觀察窗口使用。

4、機械性能及應用

氧化物氣凝膠的抗壓強度、拉伸強度和彈性模量一般非常低，且存在很大的脆性，這是氣凝膠材料工業(yè)化過程中最主要的問題。然而，如果采用一些特殊前驅體，多孔的氣凝膠可以被彈性地壓縮，且壓縮幅度可以達到50%以上。

目前為止，研究人員提出了許多增強氣凝膠材料機械性能的方法。例如，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)和烷氧基硅共同作為前驅體獲得的復合SiO2氣凝膠具有很好的柔韌性。此外，向氣凝膠體系中引入同質的柔性纖維，也可使氣凝膠材料具備很好的韌性，從而大大擴展了其應用范圍。

碳氣凝膠的機械性能比較優(yōu)異，可以在一定的條件下變形(如彎曲、壓縮、扭轉等)并恢復到原來的形狀。碳氣凝膠具備這種特性的原因是其網絡結構具有各向同性。另外，橡膠狀的碳納米管材料即使在極端的環(huán)境以及不同的頻率下都具有優(yōu)異的機械性能，這使得該類氣凝膠材料在機械及熱能儲存領域具有潛在的應用價值。

一些有機高分子氣凝膠，如纖維素氣凝膠等，不僅具有高比表面積、低密度，同時還具有很好的延展性及柔韌性，而且纖維素來源豐富，是一類非常有前景的吸附材料。

5、電學領域應用

氣凝膠的相對介電常數很低(1 e 2)，而且可通過改變其密度調節(jié)介電常數值。因此，氣凝膠可被制成超低介電常數集成電路材料。隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，對集成電路運算速度的要求越來越高。一般而言，所用襯底材料介電常數越低，運算速度越快。

現在集成電路所用的襯底材料為Al2O3，其介電常數為10，目前的趨勢是使用聚酰亞胺(e~3)或其他高聚物介電材料替代Al2O3，然而，高聚物的熱膨脹系數較高，容易引起應力變形。

氣凝膠具有一些更優(yōu)越的特性，其介電常數值很低且可以調節(jié)，其熱膨脹系數與硅材料相近，因此應力很小，而且與聚酰亞胺相比，氣凝膠有良好的高溫穩(wěn)定性。因此，如將集成電路所用的襯底材料改成氣凝膠薄膜，其運算速度可提高3倍，氣凝膠在電學領域展示出了巨大的應用潛力。

6、吸附和存儲性能

由于氣凝膠由納米顆粒骨架構成，具有高通透性的三維納米網絡結構，很高的比表面積和孔隙率，且孔洞又與外界相通，因此具有非常良好的吸附特性，在氣體過濾器、吸附介質方面有著很大的應用價值。

對比疏水SiO2氣凝膠、活性碳纖維以及活性碳顆粒對吸附介質為苯、甲苯、四氯化碳、乙醛的吸附性能測試結果發(fā)現，SiO2氣凝膠的吸附性能較活性碳纖維(ACF)和活性碳顆粒(GAC)更為優(yōu)越;而和現有的離子交換、蒸發(fā)、反相滲透等技術相比，用碳氣凝膠進行電吸附去除溶液中的金屬離子具有可再生、減少二次污染、節(jié)能等優(yōu)勢;并且，碳氣凝膠的吸附容量會隨著溶液濃度、電壓以及比表面積的增加而增加。

7、醫(yī)學領域應用

氣凝膠中的碳氣凝膠具有高孔隙率，同時還具有生物相容性及可生物降解的特性，因而在醫(yī)學領域具有廣泛用途?？赡艿膽冒ㄔ\斷劑、人造組織、人造器官、器官組件等。

氣凝膠的生物學特性特別適用于藥物控制釋放體系，且具有很高的藥物負載量，適用于低毒高效的胃腸外給藥體系。通過控制制備條件可以獲得具有特殊降解特性的氣凝膠，這類氣凝膠能在生物體中穩(wěn)定存在，且根據需要進行控制降解，降解產物無毒。

全碳氣凝膠，是一種比較具有科學技術的話題。全碳氣凝膠的制作在氣凝膠的基礎之上慘雜了碳，所以被稱之為全碳氣凝膠。

全碳氣凝膠呈現出來的感覺就是一種半固態(tài)的材料，外表是固態(tài)的形狀，但是里面有很多空氣，以及很多的孔隙，而且密度比空氣都還要小。到目前為止，這種材料的誕生，是世界上第一輕盈的材料，這樣的成果，還被刊登于科學領域界最具權威的雜質上。

全碳氣凝膠的特點——極輕盈

不管全碳氣凝膠是什么，你第一眼看見它的時候，不論是視覺感還是觸摸感，就會覺得全碳氣凝膠及其的輕盈。這種感覺怎么形容呢?你把它放在手上，眼睛可以看見，但是手上一點感覺都沒有，沒有什么觸感，就是這樣的一種極其微妙的感覺，真是感嘆人類偉大的思想，還有這種不可思議的物種存在。

全碳氣凝膠的特點——韌性好

雖然比較輕盈，看上去脆弱不堪，但是你別被全碳氣凝膠的外表所魅惑了，其實它的柔韌性極其的不錯哦。

根據研究顯示，把這種全碳氣凝膠進行多次的蹂躪，甚至把它揉成原來的20%體積，到最后它都能自己以最快的速度恢復原狀，和碳氣凝膠這樣的柔韌性都是相差無幾的。就算你把它放在狗尾巴草上面，也不會把狗尾巴草壓彎。

全碳氣凝膠的特點——吸油強

全碳氣凝膠和碳氣凝膠雖然只是一字之差，但是其效果和作用在某些程度上也是非常的不一樣的。

全碳氣凝膠另一個特點就是吸油特別強，能夠把油完全的吸收，但是就是不吸收水分，是一種比較特別的材料。雖然其他類型的凝膠的吸油力也是極強的，但是全碳氣凝膠的吸油力度可以達到普通吸油產品的900倍左右，可想而知，這是多么極具強勁力的產品。

全碳氣凝膠的特點——高彈性

關于全碳氣凝膠的最后一個特點就是彈性了。凝膠在我們的腦海里或許多多少少有一種模糊的印象，和全碳氣凝膠聯想在一起，你最開始想到的是什么?

前面我們講過了全碳氣凝膠的柔韌性是極好的，可見其彈性的這個特點也是非常的高，彈性而輕盈的材料，將來說不定會成為我們生活中一項必不可少的材料?，F在這一項重大的發(fā)明還在研究應用性，一旦研發(fā)成功的話，在未來的市場上其發(fā)展?jié)摿σ彩俏覀兯诖团瓮摹?/p>