什么是气凝胶？

什么是气凝胶？

2025/02/19

气凝胶

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用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因

什么是气凝胶？

气凝胶是一种因其极高的隔热性能而受到关注的材料。由于其内部有许多细孔的结构，且其体积的90%以上是空气，因此具有很高的隔热性能。 1931年，Steve Kistler成功地从包括硅胶（凝胶状氧化硅）在内的几种凝胶合成了气凝胶，从那时起，人们就开始研究寻找从各种原材料合成气凝胶的方法。目前，它被用作工厂管道、汽车、航空航天设备、住房、服装等的隔热材料。同时，由于表面积大，CO₂也用作吸附剂、催化剂和电池材料。

什么是气凝胶

作为隔热材料具有优异性能的物质

　气凝胶的经典定义是“湿凝胶内部的液体被气体取代的多孔材料，所用的干燥方法是超临界干燥。”但近年来，国际学术界认为“没有单一的定义”，而广泛泛指“具有高孔隙率和均匀多孔结构的多孔体。”

　近年来，主要具有孔径为数十纳米、孔隙率为50％至90％或更高的细小连通孔(孔连通)的多孔材料通常被称为气凝胶。换句话说，大部分表观体积是指处于空状态的物体，称为空隙（间隙）。

气凝胶有两个特点：一是其隔热性能高，超过了静止空气；二是其表面积相对于其体积而言较大。

　利用其绝缘性能的应用包括变热的工厂管道、汽车、航空航天设备、住房和服装。气凝胶可以作为一种轻、薄、致密的隔热材料，因此受到人们的关注，特别是在必须考虑燃油效率的移动领域。另外，气凝胶具有很大的表面积，可以吸附物质并与物质发生反应，即CO₂也用作吸附剂、催化剂和电池材料。

初始气凝胶的实际应用问题

　气凝胶的典型例子是二氧化硅（SiO₂) 气凝胶。气凝胶的孔隙越小，越均匀，就越透明。二氧化硅气凝胶比其他原材料更均匀，因此具有高度透明性，可用于制造允许光透过但不允许热量透过的材料。

　二氧化硅气凝胶还存在易碎、抗弯能力弱等问题。如果对其施加外力，它很容易就会变形，甚至碎裂。因此，还需要灵活性和耐用性。因此，为了将其投入实际应用，我们想出了一些方法来制造复合材料，将其与泡沫聚合物和水泥混合，制成片材和板材，并在各种设备和设备中使用。除二氧化硅外，由各种原料制成的气凝胶的研究和开发也在取得进展。

气凝胶的制造方法

利用超临界干燥法合成多孔材料

　气凝胶的基本制造方法是“超临界干燥法”。为了产生气凝胶特有的大量孔隙，必须在不破坏孔隙的情况下将湿凝胶内部的液体转化为气体，从而将其去除。超临界干燥法是先将液体部分转变为超临界流体（一种兼有气体和液体的性质，没有气液界面的状态），然后转变为气体，使作为孔隙塌陷主要原因的界面张力不起作用的方法。

　其他方法包括常压干燥法和冷冻干燥法。冷冻干燥是一种升华固体的方法，同时避免三相点（气体、液体和固体共存的热力学平衡点）。然而，孔隙可能相当大，用这种方法制成的一些材料不能称为气凝胶。

AIST 的举措和前景

不同材料组合气凝胶制造方法的开发

在AIST，我们一直在进行以制造方法为重点的研究，目的是创造更好的气凝胶。目前，我们已通过与私营企业的合作，成功实现了二氧化硅气凝胶复合隔热片的商业化，并利用天然高分子壳聚糖开发了具有高柔韧性和透光率的隔热材料。

　2023年，我们开发了一种利用聚硅氧烷和生物聚合物特性制造复合多孔材料的方法(2023/07/20新闻稿）。聚硅氧烷是具有硅氧烷键（Si-O-Si）的聚合物的总称，比二氧化硅更能抵抗压缩变形，即使受力也不会碎裂。生物聚合物是源自天然产物的聚合物。在这项研究中，我们开发了一种气凝胶制造方法，将聚硅氧烷与四种生物聚合物（海藻酸、果胶、羧甲基纤维素和角叉菜胶）相结合。具有不同化学性质的两种成分的共存导致了单独无法实现的性能，例如防水性和弯曲变形性。

　这项研究接近基础研究，并且从学术角度取得了很好的成果，例如阐明了创建均匀多孔结构的条件。

基础研究随着其用途的扩大而变得越来越重要

AIST 还设有从事气凝胶研究的小组，例如纳米碳器件研究中心。绝缘、散热等热管理材料的研究活动已经积累，并建立了该领域各种信息交流的环境。为了增加未来材料的多样性和应用，基础研究，例如阐明多孔结构的形成机制，仍然很重要。我们将基于AIST的知识推进此类研究，不仅作为高性能隔热材料，而且作为一种可以为解决社会问题做出贡献的材料，创造业绩记录。我们还希望通过与供应建筑材料和汽车零部件的制造商合作，为解决社会问题做出贡献。