1. 气凝胶的定义与起源

“气凝胶”（aerogel）一词，源自其独特的性质。其中，“aero”意为飞行，而“gel”表示凝胶，合起来即指一种能够轻盈飞行的凝胶状物质。这种材料经过特殊工艺干燥，去除了内部溶剂，同时保持了原有的形状，且具有高孔隙率和低密度特点，因此能够轻盈地漂浮在空气中。

气凝胶是世界上最轻的固体，其孔径达到纳米级别，涵盖了硅系、碳系、硫系、金属氧化物系以及金属系等多个类别。尽管美国科学家Kistler在1931年就已制得气凝胶，但直到近些年，随着超临界技术的发展，才实现了小规模的生产。

气凝胶的微观结构是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结而成的纳米多孔网络，其孔洞率高达80%至99.8%，孔洞尺寸介于1至100纳米之间。这使得它拥有高达200至1000平方米每克的比表面积，以及3至600千克每立方米的密度。这种三维纳米网络多孔材料，内部几乎全是气体，使其在视觉上具有独特的效果。例如，将SiO₂气凝胶置于暗色背景前会呈现蓝色，而在浅色背景前则几乎透明。尽管它不如玻璃透明度高，却因其高隐匿性和低可见性而备受瞩目。

2. 气凝胶的独特特性

气凝胶以其轻盈的质地、高孔隙率和低密度而闻名。这种材料不仅在视觉上呈现独特效果，更在隐匿性和可见性方面展现出其不凡之处。尽管其透明度不及玻璃，但气凝胶的高隐匿性和低可见性却让它成为了众多领域的理想选择。
1）卓越的保温隔热性能
气凝胶以其优异的保温隔热性脱颖而出。其导热系数介于0.012至0.024W/(m·K)之间，相较于传统隔热材料，低了2至3个数量级。这得益于其均匀且致密的纳米孔以及多级分形孔道微结构，这些特性共同作用，有效阻隔了空气对流，并降低了热辐射和热传导。具体来说，气凝胶的保温隔热机制体现在三个方面：（1）无对流效应：其纳米级气孔使得内部空气丧失了自由流动的能力；（2）无数遮挡板效应：纳米级气孔壁数量众多，从而将辐射传热降至最低；（3）无穷长路径效应：热传导主要沿气孔壁进行，而纳米级气孔壁的长度则趋于无穷。
2）节能减排，材料利用率高
SiO₂气凝胶绝热毡在保温性能上显著优于传统材料，能达到2至8倍的提升。以管道保温为例，对于直径为150mm的管道，若要实现相同的保温效果，使用膨胀珍珠岩、硅酸钙、岩棉和气凝胶毡的厚度分别为90mm、76mm、64mm和仅20mm。由此可见，气凝胶在节能减排和材料高效利用方面具有显著优势。

3）耐久性优异

气凝胶的耐用性约为传统保温材料的四倍。传统保温材料，例如岩棉和聚氨酯，在长期使用过程中容易吸水，导致其分布不均，进而损害保温效果和使用寿命。然而，气凝胶的憎水率高达99%以上，确保了其在长期使用中仍能维持稳定的结构和出色的隔热性能。
4）强度与韧性有待提升
尽管气凝胶在许多方面表现出色，但它也存在一些不足之处，例如强度相对较低和韧性较差。为了克服这些缺点，研究人员常常会通过加入颗粒、纤维等增强材料来提升其机械性能。同时，为了增强气凝胶的遮挡辐射能力，炭黑、陶瓷纤维等遮光剂也会被引入。基于这些改进，气凝胶制品得以诞生，它们不仅保留了气凝胶的优异隔热性能，还增强了其他所需的特性。这些制品涵盖了多种形态，如气凝胶毡、气凝胶纸、气凝胶布以及板材等，为不同应用场景提供了多样化的选择。

4）气凝胶的应用广泛

气凝胶作为一种高性能的隔热材料，其应用范围非常广泛。它不仅可用于航空航天领域，还能广泛应用于能源、化工、建筑等多个行业。同时，经过改进的气凝胶制品，如气凝胶毡、气凝胶纸等，也为气凝胶的应用提供了更多的可能性。这些制品不仅保留了气凝胶的优异隔热性能，还增强了其他所需的特性，从而满足了不同应用场景的需求。
1）航空航天领域的应用

相较于传统的绝热材料，气凝胶以其卓越的隔热性能在航空航天领域展现出显著优势。其轻质且体积紧凑的特点，使得在达到相同隔热效果的情况下，气凝胶能够显著减轻航空发动机的重量，同时提供出色的隔热保护。
2）工业保温领域的应用
在工业保温领域，气凝胶同样展现出其独特优势。由于某些特定部位和环境的限制，如重量、体积和空间等，气凝胶以其出色的绝热性能在这些场合中发挥了关键作用。此外，气凝胶还具备耐高温和防火的特性，使得它在化工领域设备的保温上成为更为合适的选择。
3）建筑领域的应用

气凝胶及其复合材料，如气凝胶毡/板、气凝胶保温砂浆、气凝胶阳光板以及气凝胶隔热涂料等，在建筑领域展现出卓越的节能效果。这些材料的应用，有效提升了建筑物的保温性能，降低了能源消耗。
4）交通领域的应用
气凝胶在交通领域发挥着重要作用，特别是汽车、高铁和地铁等交通工具。其防火隔热保温降噪层能够显著提升车辆的安全性，同时，大容量电池组防火防水保温盒的采用，也为新能源汽车的安全性能提供了有力保障。此外，在危险化学品运输车和液化天然气运输船等特种运输工具中，气凝胶的保温防火层也发挥着至关重要的作用。
5）环境领域的应用
气凝胶凭借其巨大的比表面积和独特的纳米多孔网状结构，展现出卓越的吸附能力，这一能力是活性炭的6倍。因此，它在废水处理、水体净化、油污吸附以及VOCs气体吸附方面都有着广泛的应用，同时，其绿色环保的特性也备受推崇。
6）其他领域的应用

气凝胶因其出色的隔热性能，常被用作鞋垫、运动鞋以及服装的填充层，以实现低温环境下的有效保温。此外，高端化妆品行业和体育用品行业也纷纷将气凝胶融入其产品中，利用其独特性质来提升产品的性能。
5结语

目前，气凝胶及其复合材料的价格相对较高，尤其是气凝胶毡，其价格达到近200元/m²，导致其在建筑节能市场的渗透率仍然较低。尽管如此，气凝胶在高端化妆品和体育用品等行业的应用已经逐渐普及，展现了其独特的性能优势。根据2020年国内气凝胶行业15.9亿元的产值和建筑建造行业约占7%的需求进行估算，建筑建材用气凝胶的销售额约为1亿左右。进一步分析建筑外墙保温材料的市场需求，我们发现气凝胶的渗透率在2020年仅为0.02%。假设到2025年，这一渗透率能提升至0.12%，那么届时国内建筑外墙保温市场对气凝胶的需求量将达到13.7万m³。随着人们对气凝胶的深入了解以及技术成熟度的不断提高，其应用市场无疑将迎来更大的发展空间。