一、基本概述

定義：氣凝膠（aerogel）是一種通過溶膠-凝膠法結(jié)合超臨界干燥（或新型常壓干燥）技術(shù)制備而成的三維納米多孔固態(tài)材料，孔隙率＞90%，空氣占比超90%，具有超低熱導(dǎo)率（0.012-0.024W/(m·K)）、超高比表面積、優(yōu)異聲學(xué)性能及功能可設(shè)計性。

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圖1 不同氣凝膠的微觀表征

二、分類信息

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三、詳細(xì)解釋

氣凝膠化學(xué)組成多樣，主要包括無機(jī)型（如二氧化硅、氧化鋁）、有機(jī)型（如聚酰亞胺、纖維素）及碳基型（如石墨烯、碳納米管、生物質(zhì)衍生碳?xì)饽z）等類別。其形成過程是將凝膠里的液體置換成氣體制成的，內(nèi)部充滿納米級的微小孔洞（孔徑<100nm和三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)），同時保證其形狀不改變，最終得到一種具有固相骨架支撐氣體填充的納米孔結(jié)構(gòu)特征的新型材料。這種結(jié)構(gòu)讓它變得非常輕，同時又具有出色的隔熱性能。氣凝膠也具凝膠的性質(zhì)，即具觸變作用、離漿作用。

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圖2 氣凝膠擁有強(qiáng)大的隔熱功能

氣凝膠作為一種兼具輕質(zhì)化與高性能的新型功能材料，可作為突破傳統(tǒng)材料性能極限的前沿材料，以及需精密調(diào)控制備工藝的先進(jìn)功能材料。

四、應(yīng)用領(lǐng)域/前景

目前，氣凝膠正逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袘?zhàn)略意義的新材料，已在多個領(lǐng)域取得實(shí)質(zhì)性應(yīng)用成果。在建材節(jié)能領(lǐng)域，氣凝膠憑借卓越性能，正成為建筑行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型與創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動力，深度響應(yīng)住建部打造“好房子”的核心要求。在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱、室內(nèi)空間的隔聲降噪，以及應(yīng)對極端氣候環(huán)境挑戰(zhàn)等方面，氣凝膠都展現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢。

在環(huán)保材料創(chuàng)新賽道上，生物質(zhì)氣凝膠憑借全生命周期可降解特性，重新定義了建筑材料的綠色標(biāo)準(zhǔn)。纖維素基氣凝膠以農(nóng)林廢棄物為原料，生產(chǎn)能耗相比傳統(tǒng)二氧化硅氣凝膠大幅降低；殼聚糖基氣凝膠源自蝦蟹殼等生物廢料，可在數(shù)月內(nèi)完成微生物降解。當(dāng)這些材料制成吸音板應(yīng)用于圖書館、劇院時，不僅實(shí)現(xiàn)了廢棄物的高值化利用，更能打造出靜謐的聲學(xué)空間。

智能響應(yīng)氣凝膠賦予建筑表皮“智慧感知”能力，溫控型氣凝膠內(nèi)置相變材料，夏季自動吸熱降低導(dǎo)熱系數(shù)，冬季凝固釋熱維持室內(nèi)溫度；光敏型氣凝膠搭載光致變色材料，強(qiáng)光下阻擋紫外線，陰天時透光率提升，實(shí)現(xiàn)采光與隔熱的動態(tài)平衡。

制備工藝的革命性突破，正加速氣凝膠從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化應(yīng)用。10μm級精度的3D打印技術(shù)，既能塑造出兼具藝術(shù)美感與保溫隔音功能的浮雕裝飾，也能定制梯度孔隙結(jié)構(gòu)的混凝土節(jié)點(diǎn)，降低熱傳導(dǎo)損失。綠色合成工藝以水基溶膠體系替代有機(jī)溶劑，不僅消除揮發(fā)性污染，更削減制備能耗，推動氣凝膠保溫氈成本下降。目前在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面，氣凝膠已展現(xiàn)了部分性的突破。目前建筑保溫用二氧化硅氣凝膠氈、新能源汽車電池包隔熱片等產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)萬噸級量產(chǎn)。

在極地科考站，氣凝膠夾芯板以超低導(dǎo)熱系數(shù)抵御-50℃嚴(yán)寒。在沙漠生態(tài)建筑中，氣凝膠反射涂層降低室內(nèi)溫度，減少空調(diào)能耗。隨著技術(shù)迭代與成本優(yōu)化，氣凝膠正從極端環(huán)境走向民生工程，在保障性住房中提升節(jié)能性能，在老舊小區(qū)改造中改善居住品質(zhì)。未來，氣凝膠有望成為建筑行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的核心引擎，以材料創(chuàng)新驅(qū)動人居環(huán)境全面升級。

在新能源產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，氣凝膠用于鋰電池防火隔熱氣凝膠片、氫燃料電池雙極板隔熱層、光伏板背板封裝材料；在航空航天與高端裝備領(lǐng)域，氣凝膠可用作航天器熱防護(hù)層及超輕衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料；在環(huán)保與資源回收領(lǐng)域，油污吸附氣凝膠及重金屬離子捕捉氣凝膠；在氣體吸附凈化領(lǐng)域，以二氧化硅氣凝膠為代表的吸附材料表現(xiàn)出突出的性能，不僅能高效吸附二氧化碳、揮發(fā)性有機(jī)化合物等氣態(tài)污染物，在凈化水體方面也有著良好的應(yīng)用潛力。

通過資源高效利用和污染最小化原則，氣凝膠不僅實(shí)現(xiàn)了廢棄物資源化利用，還能有效減少天然資源消耗，未來在極端環(huán)境與大規(guī)模民用場景的協(xié)同應(yīng)用將進(jìn)一步釋放其經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

五、綠色應(yīng)用難點(diǎn)

當(dāng)前，氣凝膠在綠色應(yīng)用仍面臨多項(xiàng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化難題。其雜質(zhì)處理尚存在技術(shù)瓶頸，亟需開發(fā)更高效、更低成本的凈化技術(shù)，并進(jìn)一步優(yōu)化氣凝膠材料性能。

在力學(xué)性能方面，傳統(tǒng)氣凝膠脆性大，仍需通過纖維復(fù)合或交聯(lián)改性提升力學(xué)性能；常壓干燥技術(shù)仍面臨孔結(jié)構(gòu)坍塌風(fēng)險，超臨界干燥成本較高等難題。此外，在規(guī)模化生產(chǎn)過程中難以保持產(chǎn)品性能的一致性，也制約了其在對性能穩(wěn)定性要求較高的工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前，氣凝膠的資源化利用效率偏低，仍未形成完整的綠色閉環(huán)體系，規(guī)模化回收工藝的缺失仍是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)利用的關(guān)鍵瓶頸。然而，隨著低碳政策驅(qū)動，以及氣凝膠改性技術(shù)的持續(xù)突破（如生物質(zhì)基氣凝膠、自修復(fù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)），氣凝膠正逐步從高端領(lǐng)域向民生領(lǐng)域擴(kuò)展，有望成為碳中和背景下多產(chǎn)業(yè)協(xié)同升級的重要材料支撐。

本詞條貢獻(xiàn)者：

董文鈞 北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授

本詞條審核專家：

吳吉明 中國工程師聯(lián)合體學(xué)術(shù)委員會委員、北京土木建筑學(xué)會常務(wù)副秘書長，高級工程師

王思婭 中國建筑科學(xué)研究院高級工程師、中國工程標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會農(nóng)房與改造專委會副秘書長、建筑用氣凝膠應(yīng)用推廣工作組專家、北京土木建筑學(xué)會建材分會秘書長

參考來源：

[1] 全國絕熱材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC 191).納米孔氣凝膠復(fù)合絕熱制品:GB/T 34336-2017[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2017.

[2] 高敏,呂呈,王鵬,等.降活型防火聚脲涂層改性聚氨酯可控膨脹材料研究[J].涂料工業(yè),2024,54(12):2-9.

[3] 張佳慶,黃玉彪,蔣恭華,等.多火災(zāi)升溫條件下超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料隔熱性能研究[J].中國安全科學(xué)學(xué),2024,34(09):114-120.DOI:10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.09.0647.

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來源: 科普中國

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