氣凝膠材料自1931年Kistler首次制備氧化硅氣凝膠以來，其分類體系經歷了從簡單到復雜的發(fā)展過程。早期以化學組分劃分為主，如無機氣凝膠（SiO?）、有機氣凝膠（RF樹脂）和碳氣凝膠。隨著材料科學的進步，分類標準逐漸擴展到微觀結構（納米球/片層/管狀）、功能特性（導電/絕緣/催化）及制備方法（溶膠-凝膠/模板法/發(fā)泡法）等維度。這種多維分類體系的建立，為氣凝膠材料的精準設計和性能調控提供了理論基礎。

化學組分導向的分類體系

無機氣凝膠

以氧化硅氣凝膠為代表，其納米微球結構賦予材料超低導熱系數(shù)（<0.013 W/m·K）。NASA開發(fā)的柔性氣凝膠氈已實現(xiàn)商業(yè)化應用，但脆性缺陷限制了其工程應用。近年來通過引入橋聯(lián)氧化硅單體（如乙烯基硅氧烷）實現(xiàn)力學增強，使材料韌性提升3倍以上。

有機高分子氣凝膠

酚醛樹脂基RF氣凝膠具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性（耐溫>200℃），但密度偏高（>0.1 g/cm3）。纖維素氣凝膠通過單向冷凍法可制備各向異性結構，其隔熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)泡沫材料。原料可再生性和生物降解性使其成為環(huán)保領域研究熱點。

碳系氣凝膠

間苯二酚-甲醛體系制備的碳氣凝膠具有獨特導電網絡（電導率>10 S/cm），在超級電容器領域展現(xiàn)優(yōu)勢。中國科學院金屬研究所開發(fā)的高強韌碳氣凝膠（斷裂韌性1.01 MPa·m1/2）成功通過1.6噸汽車碾壓試驗，為極端環(huán)境熱防護系統(tǒng)提供新方案。

什么是復合氣凝膠

復合氣凝膠通過組分協(xié)同突破單一材料性能瓶頸。各種結合不同化學組分和結構的復合氣凝膠賦予氣凝膠不同復合物的優(yōu)異性能，解決單一組分氣凝膠面臨的問題，提升目標氣凝膠的綜合性能，實現(xiàn)結構與性能的調控。與單一組分氣凝膠相比，復合氣凝膠的制備方法與單一氣凝膠類似，包括前驅體溶液的制備、凝膠化、干燥等基本步驟。最大的不同在于前驅體的調控，可將混合溶液放置在模具中，待成型后凝膠、干燥。原料之間的質量配比、反應時間和溫度、交聯(lián)劑的種類及濃度等因素至關重要。

例如，Wang等采用定向冷凍法、控制不同填料比等方式來調控氣凝膠的序列化微結構，成功制備出一種具有優(yōu)異的屏蔽性能、導電性、力學性能及突出熱穩(wěn)定性的納米纖維素/Ti3C2Tx MXene復合氣凝膠。該材料電磁屏蔽性能的極大提升得益于氣凝膠內部的序列化網絡結構以及MXene組分，電磁波在材料內部不斷反射與吸收，最終逐漸耗散，從而達到屏蔽效果。這種微結構調控策略以及超高屏蔽效能的序列化3D結構的制備能有效拓展氣凝膠在電磁屏蔽領域中的應用。

典型及新型氣凝膠種類有哪些

近年來氣凝膠的迭代發(fā)展非常迅速，各類基于新構建單元（前驅體）的氣凝膠被不斷合成。以下簡要概括并介紹典型及新型氣凝膠種類，包括氧化硅氣凝膠、纖維素氣凝膠、碳氣凝膠、石墨烯及氧化石墨烯氣凝膠、硫族化合物氣凝膠、新型納米管氣凝膠、納米金屬氣凝膠及超分子氣凝膠等。

氧化硅氣凝膠（silica aerogel）

氧化硅氣凝膠于1931年被Kistler首次制備成功，導熱系數(shù)非常低，在隔熱保溫領域應用廣泛。作為現(xiàn)存最有效的絕緣體之一，美國國家航空航天局與工業(yè)界合作，在20世紀90年代創(chuàng)造了世界上第一塊實用且柔軟的氣凝膠氈，助力火箭燃料低溫運行與航天材料的應用。但是材料價格相對昂貴且存在脆性的缺點。近年來氧化硅氣凝膠的主要研究重心在于引入有機基團實現(xiàn)其力學增強與增韌，如采用橋聯(lián)氧化硅單體、乙烯基硅氧烷單體等，都取得了巨大的成功。

纖維素氣凝膠（cellulose aerogel）

纖維素氣凝膠以納米纖維為構建單元，是近年來開發(fā)出的新品種，具有原料來源廣泛、綠色環(huán)保、生物相容性好等優(yōu)點。如采用單向冷凍或雙向冷凍法制備的各向異性纖維素基氣凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱性能，且顯著優(yōu)于商品化的發(fā)泡聚苯乙烯、聚氨酯泡沫等隔熱材料。該種氣凝膠基于可再生材料，相比其它更加綠色、降低能源消耗。

碳氣凝膠（carbon aerogel）

碳氣凝膠及其復合氣凝膠具有低密度、低模量、導電性好、吸光率高等特性，可用來制備壓力傳感器材料以及超級電容器電極材料等。經典做法是將間苯二酚與甲醛混合，Na2CO3發(fā)揮催化作用，以溶膠-凝膠法為主，往往需在氮氣或者氬氣氣氛保護下升至高溫并恒溫處理數(shù)小時，以進行碳化處理，最終干燥得到碳氣凝膠。

氧化石墨烯氣凝膠（graphene oxide aerogel）

氧化石墨烯氣凝膠具有三維連續(xù)多孔的網絡結構，兼?zhèn)溲趸﹥?yōu)異的物理化學性質和氣凝膠的結構特點，集超大比表面積、極高孔隙率、超低密度、超低熱導率、強疏水性、強吸附性、高彈耐壓性、高導電性等優(yōu)異性能于一體，在能源存儲、傳感、催化、吸附及油水分離、環(huán)境保護、降解與屏蔽等領域有重要的應用前景，是近年來的新型熱門材料之一。

Gao等在該領域做了大量開創(chuàng)性研究工作。2013年以石墨烯為壁、碳納米管為骨架，協(xié)同組裝成兼具優(yōu)異彈性、導電性、吸油性且超輕量的全碳氣凝膠，密度僅為空氣密度的六分之一，可以穩(wěn)定地浮于麥穗表面。低溫下采用無模板“溶膠-冷凍”法處理石墨烯和碳納米管的混合溶液，凍干獲得形狀可任意調節(jié)的氣凝膠，大大簡化了組裝過程，邁出了超輕氣凝膠舉足輕重的一步。2018年提出了多級分層協(xié)同組裝策略制備高度可拉伸的全碳氣凝膠彈性體。石墨烯和碳納米管之間的分層結構和協(xié)同效應使材料實現(xiàn)了200%的伸長率。超低密度（5.7 mg·cm?3）、優(yōu)異抗疲勞性（10?次循環(huán)拉伸）等，為其在應變傳感器、柔性可穿戴設備、智能機器人及航空航天領域的廣泛應用奠定了基礎。該組裝策略可精確控制整體結構層次且操作簡單，是一種精確制造高循環(huán)拉伸性氣凝膠和其它無機彈性體的普適方法。

目前石墨烯氣凝膠（graphene aerogel，簡稱GA）的常規(guī)制備方法包括溶膠-凝膠法和模板法。其中溶膠-凝膠法受限于干燥成本高、微觀形貌調控難；模板法涉及模板的祛除，限制了GA的連續(xù)化批量生產，同時造成不可避免的模板邊界界面結構的缺陷。基于石墨烯片層的溶致塑性，近日Gao等提出了“溶致塑化發(fā)泡”法，類似聚合物泡沫的“熱塑發(fā)泡”法，可實現(xiàn)GA的大規(guī)模連續(xù)化與高精度微型化制備，避免了特定干燥過程中高能耗和模板的引入。得益于溶致塑化與氣泡張力的共同作用，氣凝膠中的搭接缺陷很大程度上得以消除，因此該法制得的GA具有優(yōu)異的機械穩(wěn)定性，能夠用于超靈敏GA微陣列觸覺傳感器。

硫族化合物氣凝膠（chalcogenide aerogel）

基于半導體II~VI或IV~VI骨架制成的硫族化合物氣凝膠的生產策略涉及結晶性納米粒子的組裝、超臨界干燥等，通過控制表面封端硫醇基團的氧化損失實現(xiàn)凝膠化。所得多孔性半導體材料（例如PbS、CdSe、CdS、ZnS氣凝膠）具有高比表面積，同時顯示出獨特的特征光學性質。

Brock課題組在硫族化合物氣凝膠方面做了大量創(chuàng)新性工作。團隊提出涉及量子點效應的溶膠-凝膠法、水基共價金屬離子交聯(lián)策略等；研究了CdS氣凝膠在可見光照射下對有機染料的降解催化效率、初級組裝粒子形狀對氣凝膠孔隙率、機械強度、發(fā)光強度、熱電等基本性能的影響；并總結了其在傳感、光伏、光催化領域的應用前景。

新型納米管氣凝膠（novel nanotube aerogel）

新型納米管氣凝膠的開發(fā)為氣凝膠的結構和性能調控提出了新思路。在氣凝膠多孔結構基礎之上，引入連續(xù)空芯結構，進一步提升了氣凝膠的隔熱性能。

例如，Du等通過模仿北極熊毛發(fā)的膜孔結構，以碳氣凝膠為犧牲骨架，結合化學氣相沉積法，獲得了新型二氧化硅納米管氣凝膠。該材料具有優(yōu)良的保溫隔熱性能和遠紅外阻隔能力，其纖細的納米管狀結構增強了瑞利散射，使其可見光和近紅外線的透射率高而紫外透射率很低，為高緯度地區(qū)或太空的高效采光、集熱和紫外防護問題提供了解決方案。

Yu等同樣受北極熊毛發(fā)中空結構的啟發(fā)，以一維納米線作為模板，合成了一種中空碳納米管氣凝膠。由于獨特的微觀結構，該新型碳管氣凝膠表現(xiàn)出超輕、超隔熱、超疏水、超彈性和優(yōu)異機械性能。有望滿足極端條件下對高性能材料的需求，例如航天航空領域中輕量化隔熱保溫材料、彈性體材料等。

金屬氣凝膠（metal aerogel）

作為一類新興多孔材料，金屬氣凝膠（metal aerogel，簡稱MA）近年來引起了極大的關注。其結合了金屬和氣凝膠的特征，有望成為催化性能優(yōu)異的新型電催化劑。

Eychmüller和Du等揭示出貴金屬凝膠的自修復行為，開發(fā)了一種非常規(guī)的新型快速膠凝策略，在室溫下1~10 min內即可生成各種本體金屬凝膠（包括Au、Ag、Pd、Rh等）。實驗基于凝膠化過程中引入的擾動場可以促進物質運輸并誘導加速反應動力學的機理。光照下MA的活性提高了45.5%，電流密度提高了7.3倍，為MA光電催化性能研究開創(chuàng)了先河。

超分子氣凝膠（supramolecular aerogel）

超分子氣凝膠是近年來成功制備的新品種之一。超分子體系是指通過次級相互作用（非共價鍵）構筑而成的組裝體，由于超分子作用通常為動態(tài)作用，具有可逆性，因此在智能識別、可控釋放、有序組裝、智能響應、形狀記憶等領域中具有重要應用價值。環(huán)糊精（cyclodextrin，簡稱CD）是一類由吡喃葡萄糖單元構成的大環(huán)分子，能夠通過包結作用與多種小分子、金屬離子以及聚合物形成主-客體包結物，從而實現(xiàn)對客體分子理化性能的調控。通過α-CD與聚乙二醇（polyethylene glycol，簡稱PEG）在水中自組裝形成超分子水凝膠，再通過超臨界二氧化碳干燥得到超分子聚輪烷氣凝膠，所得氣凝膠微塊體材料，能夠支撐自身重量1000倍以上的重物，具有管道結晶和PEG結晶雙晶區(qū)，將氣凝膠的隔熱性能和相變儲能功能有機融合一體。通過超分子相互作用交聯(lián)形成的超分子水凝膠在生物醫(yī)學、智能水凝膠和刺激反應系統(tǒng)領域中的有趣應用引起了極大的關注。因其具有可降解、可逆、生物相容性和可注射性，可用于生物醫(yī)藥領域，如組織工程、藥物輸送和細胞成像。

應用領域的技術突破

能源存儲：石墨烯氣凝膠基超級電容器能量密度達56 Wh/kg（功率密度1.2 kW/kg）

環(huán)境治理：CdS氣凝膠對亞甲基藍的吸附容量達850 mg/g（30 min內完成）

柔性電子：全碳氣凝膠應變傳感器靈敏度GF=21.3（0-100%應變）

航空航天：納米管氣凝膠在-196℃至800℃溫區(qū)內導熱系數(shù)波動<5%

未來發(fā)展方向

多尺度結構設計：發(fā)展4D打印技術實現(xiàn)時空可控的異質結構

綠色制備工藝：開發(fā)常壓干燥替代超臨界干燥（能耗降低80%）

智能響應功能：構建pH/光/磁多刺激響應的超分子網絡

生物醫(yī)學應用：開發(fā)可注射型氣凝膠載藥系統(tǒng)（載藥量>20%）

當前，氣凝膠材料正從單一功能向多功能集成發(fā)展，從實驗室制備向規(guī)模化生產轉型。通過精準控制化學組分和微觀結構，有望開發(fā)出具有革命性性能的新一代功能材料，在極端環(huán)境防護、智能傳感、清潔能源等戰(zhàn)略領域發(fā)揮關鍵作用。