重庆大学陈立明、侯先波等《ACS Nano》：气凝胶材料柔韧化方法与多功能应用

虽然气凝胶材料具有轻质、隔热、绝缘、吸声和低介电常数等优异性能，但由于其易碎性和低力学性能，气凝胶的实际工程应用一直受到限制。柔性一直是气凝胶材料发展的一个重要方向，力学柔韧性已经成为影响气凝胶材料实际应用的关键因素，设计和制备具有高柔性的新型柔性气凝胶材料已成为气凝胶领域的新兴研究课题。本文综述了柔性气凝胶的制备方法和性能，总结了气凝胶材料的柔韧化设计和结构调控方法，以克服高孔隙率和纳米多孔网络结构所带来的脆性，极大地拓展了气凝胶的多功能性和实际应用前景。通过对现有文献的综合分析，本文提出了气凝胶柔韧性的主要设计和构造原则，综述了柔性气凝胶在传感器、柔性隔热、柔性电子等领域的发展、性能及应用前景，并对柔性气凝胶材料未来的发展方向进行了展望。该研究以题为“Flexible aerogel materials: A review on revolutionary flexibility strategies and the multifunctional applications”的论文发表在最新一期的《ACS Nano》上。

气凝胶是一种具有纳米孔网状结构的固体材料，被誉为“miracle materials of the 21st century”。气凝胶最早是由Samul Kistler于20世纪30年代利用超临界干燥技术合成的，气凝胶独特的纳米孔网状结构使其具有低密度、高孔隙率、高效保温、低介电常数和大比表面积等综合性能。由于这些优异的性能，气凝胶在化学、光学、电学、航空航天、生命科学等领域有着重要的应用前景。然而，大多数气凝胶材料由于其固有的弱纳米孔网络结构和超低密度而表现出较差的力学性能。因此，传统的气凝胶材料几乎没有柔韧性，在受力过程中容易发生脆性断裂并破碎，导致气凝胶材料的可靠性和安全性大大降低，严重影响了气凝胶材料的实际工程应用。

图1 柔性气凝胶及其多功能应用

气凝胶的柔韧化方法与多功能应用

近年来，研究人员一直致力于高柔韧性气凝胶的设计和开发。研究表明，气凝胶的柔韧性主要受其微观结构和化学组分的影响。文献报道的气凝胶柔韧化方法大致可分为以下四种类型：（1）单体调控：利用柔性单体（如硅烷、长链聚合物分子）通过溶胶-凝胶法形成具有高柔性的气凝胶材料；（2）纳米纤维组装：采用高长径比纤维（如SiO 2纳米纤维、纤维素纳米纤维、聚酰亚胺纳米纤维）组装成柔性气凝胶材料；（3）结构控制：通过冷冻干燥、3D打印等方法构建可变形结构，实现气凝胶材料的柔韧性；（4）柔性气凝胶复合材料：将气凝胶材料与柔性织物或柔性毡相结合，获得高柔韧性的气凝胶复合材料。本文系统总结了气凝胶柔韧性的各种方法，并对其制备工艺、材料性能、功能等方面的优缺点进行了比较。

图2 气凝胶材料的四种柔韧化方法

气凝胶柔韧化和多功能化的未来发展

柔韧性是气凝胶在实际应用中不可缺少的重要性能。柔性气凝胶克服了传统气凝胶固有的脆性，极大地拓展了其应用领域。柔性气凝胶的柔韧化方法及其多功能应用日益成为气凝胶领域发展的热点。柔性气凝胶的发展为柔性热保护、柔性电子等领域带来了新的机遇，但在耐温性、功能性、低成本、大规模制备等方面也面临挑战。同时，由于纳米孔隙结构和超高孔隙度的建模与计算、多场耦合的非线性力学等问题尚未解决，使得柔性气凝胶的发展缺乏理论指导。因此，柔性气凝胶力学模型和数值模拟方法的发展也是未来柔性气凝胶研究的关键挑战。

图3 柔性气凝胶材料未来的机遇与挑战

总结：柔性气凝胶克服了传统气凝胶的天然脆性，极大地拓宽了气凝胶材料的应用前景。本文综述了近年来典型的柔性气凝胶的柔性化方法及其应用，主要制备方法可以概括为单体调控、纳米纤维组装、结构调控（定向冷冻干燥、3D打印、气凝胶纤维/织物、相分离法）和柔性气凝胶复合材料四类方法。本文提出了气凝胶柔韧化的基本理念，即通过构造可变形的微观结构来实现宏观柔韧性，同时综述了柔性气凝胶在柔性热防护、柔性电子、传感器等领域的应用，并对柔性气凝胶材料未来在航空航天应用、军用物资、生命科学、智能装备等领域的应用需求提出了展望。

论文信息：

Xianbo Hou, Jia Chen, Zhilin Chen, Dongqin Yu, Shaowei Zhu, Tao Liu, and Liming Chen, Flexible Aerogel Materials: A Review on Revolutionary Flexibility Strategies and the Multifunctional Applications. 2024 ACS Nano.
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00347

来源：高分子科学前沿

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