材料新贵之气凝胶材料

材料新贵之气凝胶材料

气凝胶是一种三维网状纳米多孔材料，其孔隙率可达90%以上，比表面积可达900 m2/g，密度可低至0.002 g/cm3，是迄今为止密度最低的固体。气凝胶的导热系数约为0.013～0.018 W/(m·K)，是一种优良的隔热保温材料，可作为防寒保暖和热防护材料，应用于航空航天、特种防护等领域。自1931年问世以来，气凝胶经历了从氧化物气凝胶到炭气凝胶、碳化物气凝、硼化物气凝胶等非氧化物气凝胶，从单一组元SiO2气凝胶到 SiO2-ZrO2、SiO2-Al2O3、SiO2-PF等多组元气凝胶的演化进程。

图片来源：《材料导报》2022年36期《航空航天用气凝胶材料的研究进展》。

东华大学朱美芳团队研制了一种可用于极端环境热防护的纳米复合气凝胶。以层状细菌纤维素纳米纤维网络为模板，诱导介孔聚硅氧烷网络原位生成，获得了具有“多孔砖和纤维”结构的仿贝壳纳米复合气凝胶。该气凝胶材料隔热性能优异，导热率低至17.4 mW/(m·K)，同时还具有优异的力学性能，表现出高刚性、超弹性、高弯曲柔性、良好的抗冲击性。此外，该气凝胶材料在极端温度条件下，仍表现出卓越的结构稳定性。优异隔热性能与力学性能相结合，使该材料成为极端环境下热防护的良好选择，有望应用于航天器和宇航服。

墨尔本皇家理工大学的研究人员将气凝胶与相变材料（PCM）结合，提高PCM消防服的热防护性能。将二氧化硅气凝胶颗粒和PCM粉末涂覆在消防服的隔热层，与普通PCM隔热层相比，平均点火时间由3.3s增加到5.5s，减缓了火焰蔓延速度。同时，隔热层织物的重量减轻，消防服的运动舒适性有所提升。该团队还对气凝胶非织造材料在热防护服中的应用展开了系列研究，发现将气凝胶非织造材料用作热防护服隔热层时，其耐热性能是普通隔热层的5倍。

伊斯坦布尔科技大学的研究人员采用静电纺丝方法，在聚丙烯腈纳米纤维中添加了不同含量的二氧化硅气凝胶，制备聚丙烯腈-二氧化硅气凝胶膜，并将其用于消防服的防水透气层。该材料与传统防水透气层材料相比，热舒适性与热防护性能有所提高。

目前，国际上气凝胶改性纺织服装原材料供应商主要有Aspen Aerogels和Cabot Corp.等少数公司。据报道，Aspen Aerogels Inc.公司制备了一种强度很高的聚酰亚胺气凝胶，其强度是SiO2气凝胶的500倍，不易破碎和扬尘，已用于NASA航天服中。

现阶段，气凝胶在热防护纺织品中的应用仍受制于其力学性能较差、热稳定性不高的弱点。突破气凝胶制备的关键技术，降低制造成本，在维持气凝胶结构性能的同时，改善其力学性能和热稳定性，将是相关研究者需攻克的难题。换言之，气凝胶材料的研究和应用拓展仍有很大的空间。

（文章来源：纺织导报）