气凝胶：未来卓越的绝缘材料

我们正处于探索外太空的新竞赛之中，新材料处于技术进步的前沿 .考虑太空服的需求。它必须保护宇航员免受太空极端温度的影响，同时又要尽可能轻薄以提高机动性。

NASA 开发出用于太空探索的气凝胶绝缘材料 ，但近年来，气凝胶已市售 并正在寻找其他各种领域的用途。

气凝胶是极好的绝热体。在这里，一块气凝胶可以保护一朵花免受喷灯的伤害。

气凝胶是先进的材料 由于其超多孔结构，工程师能够不仅为太空服和车辆设计新的隔热材料 ，还有过滤器、电池、太阳能集热器等 .

然而，“气凝胶”不是一种材料 .相反，它们是一种固体的特殊形式 可以由二氧化硅、聚合物、氧化物、碳和其他材料制成 .虽然气凝胶是固体，但它们包含许多微小的空隙或“孔隙”，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？
• 气凝胶有哪些应用？

什么是气凝胶？

气凝胶是超多孔材料 ，这意味着虽然它们是实心的，但它们充满了微小的充气孔 称为毛孔。这些孔隙是气凝胶独特性能的关键 .虽然许多材料是多孔的，例如泡沫和某些陶瓷，但气凝胶是一个极端的例子。

在气凝胶中，孔隙构成了大部分材料 ，产生一种超轻固体材料 .气凝胶中的孔隙也非常小，比人的头发还小，肉眼看不到。因此，气凝胶是如此轻盈和半透明，以至于它们有“固体云这样的绰号 ”和“冷冻烟雾 ”。

气凝胶的主要特性是什么？

气凝胶是如此多孔，以至于 95% 的体积是空气 ，这赋予了他们各种不寻常的属性 .其中之一是它们是有史以来制造或发现的最轻的材料 ，这使得它们在航空航天应用中特别有用 减轻重量至关重要。

气凝胶的特性包括：

• 极低密度（请参阅 Matmatch 搜索低密度）
• 非常低的热导率（请参阅 Matmatch 搜索低热导率）
• 催化或电化学反应的高表面积
• 半透明度（参见 Matmatch 搜索光学透射率）

这些独特性能的关键在于 气凝胶不仅具有高度多孔性 ，但毛孔也非常小 – 太小，肉眼无法看到。这意味着气凝胶不仅受益于孔隙内空气的低导热性，而且空气也不易流动 ，这进一步增强了它们的作为绝热体的能力 .

如何制作气凝胶？

尽管有他们的名字，气凝胶不是凝胶 , 他们是 高度多孔的固体 主要由空气组成。气凝胶以液体形式开始 , 转化为凝胶，然后去除液体。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。 （参见 Matmatch 搜索小粒径）

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由二氧化硅制成 通过“溶胶-凝胶”工艺：

1. “溶胶”是通过将微小的固体颗粒与液体溶剂混合而成的。
2. 通过添加催化剂将颗粒彼此粘合，从而使混合物固化，从而将溶胶制成“凝胶”。
3. 通过干燥除去液体溶剂，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。没有半液体凝胶相留下的超小孔 , 气凝胶不会有这么低的密度 或者是这样的优秀的热绝缘体 .

气凝胶有哪些应用？

气凝胶不是一种特定的材料，而是一种材料 它已经过处理，使其更加多孔。 最常见的气凝胶是由二氧化硅制成的 （二氧化硅）;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、柔性板和薄涂层 .气凝胶可用于多种应用，并且可作为绝缘材料在市场上买到 .然而，研究人员一直在为这些卓越的材料开发其他几种技术应用。

气凝胶绝缘

低热导率和低密度 气凝胶使它们成为优秀的绝缘材料 .作为额外的好处，气凝胶非常它们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升空。气凝胶也是出色的绝缘体，可用于需要柔韧性的薄层 ，例如在太空服中。

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使用的地方，例如窗户和太阳能电池板 .是否用于地面建筑的天窗 或未来太空栖息地的窗户 , 气凝胶传输光但阻止热传递 .

这使得它们非常适合使结构更容易加热和冷却 同时还让更多的自然光进入 .气凝胶也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 也使得它作为一种伪装形式很有用 ，并且气凝胶涂层已被测试为一种隐藏红外摄像机的方法 .

吸附器和过滤器

气凝胶内的小孔 赋予它们特别高的比表面积，这意味着 大量的固体材料与其周围环境接触 .当气凝胶由吸引和粘附某些分子或颗粒的材料制成时，它们可以用作将物质捕获在孔隙内的过滤器和吸附器 .

硅胶是一种优良的干燥剂，化学安全，可用于食品。

气凝胶吸附剂的熟悉亲戚 是硅胶 ，通常用作干燥剂以去除空气中的水分 .大多数人都熟悉硅胶包 用于保持食物和其他物品干燥，在空调系统和其他应用中。硅胶用水饱和后，可以通过在烤箱中加热来“充电”​​，从而将水分从其孔隙表面蒸发掉，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 .由于气凝胶比传统硅胶具有更高的比表面积，因此气凝胶在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特别多。这使得气凝胶可用于大量化学和电化学过程 可以通过最大化溶液和固体基质之间的接触面积来改善这一点。

这些包括作为催化剂或催化剂底物 用于各种工业化学过程以及下一代超级电容器中的电极 .

美国宇航局使用气凝胶来捕获星尘飞船上的太空尘埃颗粒。颗粒在与固体碰撞时蒸发并穿过气体，但可以被困在气凝胶中。美国宇航局还使用气凝胶为火星车保温。

因为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。随着其他新材料转化为气凝胶，它们将推动新技术的发展 比如新型超级电容器、抗菌涂层、漏油吸收垫、骨植入物等等。

由于具有低导热性、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 .