氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)，是世界上已知密度最小的固體之一。密度為3千克每立方米。氣凝膠按種類(lèi)可分，硅系，碳系，硫系，金屬氧化物系，金屬系等。氣凝膠aerogel是個(gè)組合詞，aero是形容詞，意思是飛行的，gel是凝膠。字面意思是可以飛行的凝膠。任何物質(zhì)的gel只要可以經(jīng)干燥后除去內(nèi)部溶劑后，又可基本保持其形狀不變，且產(chǎn)物高孔隙率、低密度，則皆可以稱(chēng)之為氣凝膠。
1. ）硅氣凝膠
硅氣凝膠細(xì)小的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能有效地限制了熱量的傳播，其固態(tài)熱導(dǎo)率比相應(yīng)的玻璃態(tài)材料低2—3個(gè)數(shù)量級(jí)。納米微孔洞抑制了氣體分子的熱傳導(dǎo)。硅氣凝膠的折射率接近1，而且對(duì)紅外線和可見(jiàn)光的湮滅系數(shù)之比達(dá)100以上，能有效地透過(guò)太陽(yáng)光，并阻止環(huán)境溫度的紅外熱輻射，成為一種理想的透明隔熱材料，目前在太陽(yáng)能和建筑物節(jié)能方面已經(jīng)得到成功的應(yīng)用。通過(guò)后續(xù)工藝方法，可進(jìn)一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導(dǎo)，常溫常壓下氣凝膠的熱導(dǎo)率可低達(dá)0．013w/m·K，是目前熱導(dǎo)率最低的固態(tài)材料，可替代聚氨脂泡沫成為新型冰箱隔熱材料。摻入二氧化鈦可使硅氣凝膠成為新型高溫隔熱材料，800K時(shí)的熱導(dǎo)率僅為0．03w/m·K，作為軍品配套新材料將得到進(jìn)一步發(fā)展。
另外硅氣凝膠還具有低聲速特性，它還是一種理想的聲學(xué)延遲或高溫隔音材料。該材料的聲阻抗可變范圍較大(103—107 kg/m2·s)，是一種理想的超聲探測(cè)器的聲阻耦合材料，如常用聲阻匝Zp=1．5×l07 kg/m2·s的壓電陶瓷作為超聲波的發(fā)生器和探測(cè)器，而空氣的聲阻只有400 kg/m2·s。用厚度為1/4波長(zhǎng)的硅氣凝膠作為壓電陶瓷與空氣的聲阻耦合材料．可提高聲波的傳輸效率，降低器件應(yīng)用中的信噪比。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，密度在300 kg/m3左右的硅氣凝膠作為耦合材料，能使聲強(qiáng)提高30 dB，如果采用具有密度梯度的硅氣凝膠，可望得到更高的聲強(qiáng)增益。
2. ）全碳?xì)饽z
炭氣凝膠(carbon aerogel)是一種輕質(zhì)、多孔、非晶態(tài)、塊體納米炭材料，其連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可在納米尺度控制和剪裁。它是一種新型的氣凝膠，孔隙率高達(dá)80～98%，典型的孔隙尺寸小于50nm，網(wǎng)絡(luò)膠體顆粒直徑3~20nm， 比表面積高達(dá)600~1100m2/g。
炭氣凝膠與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)氣凝膠(如硅氣凝膠)相比，炭氣凝膠具有許多優(yōu)異的性能和更加廣闊的應(yīng)用前景。炭氣凝膠具有導(dǎo)電性好、比表面積大、密度變化范圍廣等特點(diǎn)，是制備雙電層電容器理想的電極材料。炭氣凝膠是唯一具有導(dǎo)電性的氣凝膠，可用于超級(jí)電容器的電板材料。有機(jī)氣凝膠及炭氣凝膠具有生物機(jī)體相容性，使得其可用于制造人造生物組織、人造器官及器官組件、醫(yī)用診斷劑及胃腸外給藥體系的藥物載體。由于炭氣凝膠的組成元素(碳)原子序數(shù)低，因而用于Cerenkov探測(cè)器時(shí)優(yōu)于硅氣凝膠材料。
炭氣凝膠的制備一般可分為三個(gè)步驟：即形成有機(jī)凝膠、超臨界干燥和炭化。其中有機(jī)凝膠的形成可得到具有三維空間網(wǎng)絡(luò)狀的結(jié)構(gòu)凝膠；超臨界干燥可以維持凝膠的織構(gòu)而把孔隙內(nèi)的溶劑脫除；炭化使得凝膠織構(gòu)強(qiáng)化，增加了機(jī)械性能，并保持有機(jī)凝膠織構(gòu)。
中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張學(xué)同帶領(lǐng)的氣凝膠團(tuán)隊(duì)與英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院教授宋文輝及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授閆立峰等合作，以平均直徑達(dá)到220納米的導(dǎo)電高分子（聚苯胺聚吡咯共聚物）空心球?yàn)榍膀?qū)體，以氧化石墨烯為交聯(lián)劑，先后通過(guò)溶膠-凝膠工藝、超臨界流體萃取工藝、高溫?zé)崽幚砉に嚨汝P(guān)鍵步驟（圖1），成功獲得了一種新型的全碳?xì)饽z，即石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠（圖2）。交聯(lián)劑石墨烯的存在，把球與球之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸巧妙轉(zhuǎn)化為點(diǎn)對(duì)面接觸，因而提高了最終氣凝膠的力學(xué)性能；空心球結(jié)構(gòu)的使用，以及在亞微米級(jí)空心球殼層上造出的大量微孔，保證了獲得的最終氣凝膠具有大的比表面積；而前驅(qū)體導(dǎo)電高分子的選擇，使得最終的全碳?xì)饽z實(shí)現(xiàn)了氮元素的摻雜。
研究獲得的石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠具有低密度（(51-67mg/cm3)、高導(dǎo)電性（263-695S/m）、高比表面積（569-609m2/g）、高楊氏模量（1.8MPa）等諸多優(yōu)點(diǎn)，有望在能源（捕獲、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換）、傳感、催化、吸附、分離、功能復(fù)合材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，將石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠作為電極材料應(yīng)用在U-型熱電化學(xué)池上，電池的輸出功率高達(dá)1.05 W·m-2 (6.4 W·Kg-1)，其相對(duì)卡諾循環(huán)的能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)1.4%，這些數(shù)值遠(yuǎn)高于目前同類(lèi)型器件的數(shù)值。
該工作為大尺寸粒子組裝成氣凝膠提供了很好的設(shè)計(jì)思路，解決了由亞微米結(jié)構(gòu)單元制備功能性氣凝膠的技術(shù)難題。
圖1 石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠制備工藝路線示意圖，圖2 石墨烯交聯(lián)的碳空心球氣凝膠：（a）花瓣上的氣凝膠；(b)氣凝膠的掃描電子顯微鏡照片；(c)氣凝膠的透射電子顯微鏡照片；（d）氣凝膠的氮?dú)馕摳角€。