被称 “固态烟” 的气凝胶有多神奇？一篇文章看懂 “固态烟” 气凝胶

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之前和大家分享静电纺丝水凝胶科普时，很多小伙伴都反馈说清晰了解了水凝胶的知识，特别开心能帮大家解锁新领域～

最近不少小伙伴留言，希望能聊聊 “气凝胶”—— 这个常被称作 “固态烟” 的神奇材料，今天小编就带大家好好认识它！

01什么是气凝胶

气凝胶是一种典型的纳米多孔材料，由胶体粒子或高分子相互聚集形成，以气体作为分散介质的一种高分散三维多孔固态材料。

气凝胶从外观上看，特别像一团蓬松的棉毡，摸起来轻得像没分量；但要是放大到微观层面就会发现，它其实是由纳米级的原子堆叠成骨架，进而形成的三维多孔材料

02气凝胶结构的特点

气凝胶简称固态烟，源于两大核心特征

（1）密度极低，内部 90% 以上的空间都是空气，仅靠纳米级的多孔骨架支撑结构。这种 “空疏松散” 的特性，让它看起来像一缕凝固的、半透明的烟雾，没有传统固体的 “厚重感”

图片中气凝胶轻盈地搭在狗尾巴草上，连狗尾巴草纤细的绒毛都没有被压弯，直观印证了它的极致轻量化

（2）与真正的烟不同，气凝胶有明确的固态结构，纳米级的骨架（如二氧化硅、碳、金属氧化物等材质）通过化学键连接，形成稳定的三维多孔网络，能承受一定外力且不会像烟雾一样随意扩散

03气凝胶性能特征

（1）密度低

气凝胶的纳米多孔结构中，90% 以上的空间被空气填充，固体骨架仅占极小比例；且该骨架由超细纳米纤维或颗粒团聚体构成，质量极轻。

（2）隔热性能好，导热系数接近极限低

热量传导主要依靠两种方式：接触传导和对流。气凝胶的多孔结构能抑制空气对流，其超细骨架还能减少固体热传导。

若将一块气凝胶放在 200℃的铁板上（这个温度差不多是刚关火的炒菜锅温度），再在气凝胶上面放个鸡蛋，鸡蛋完全不会熟。对比之前网上流行的场景 —— 天气太热时，马路上摊个鸡蛋都能熟，放在铁板上的鸡蛋却没有太大变化，更能体现气凝胶优异的隔热性能。

（3）高孔隙率和大比表面积，吸附性能好

气凝胶拥有庞大的孔隙空间和丰富的表面活性位点，这使其对液体、气体分子具有极强的吸附能力。

04气凝胶的应用

（1）保温隔热领域，在此领域气凝胶的应用最为广泛。

例如，火箭外层在进入大气层时，表面温度非常高；同时火箭需要尽量减轻载重，因此急需兼具轻量化、耐高温特性的隔热材料，气凝胶恰好能满足这一需求。

在新能源汽车电池包中，气凝胶毡可作为隔热层使用：当电池发生热失控时，它能阻挡高温蔓延（凭借极低的隔热系数，有效延缓热扩散）；同时，气凝胶毡具备轻量化优势（比传统隔热棉减重 30% 以上），能进一步提升电池包的安全性与汽车的续航能力。

（2）环保领域

在此领域气凝胶可用于吸附污染物与水处理。

它能吸附废水中的重金属离子（如 Pb²⁺、Cd²⁺）和有机污染物（如染料、油污），吸附容量是活性炭的 2~5 倍，且可通过高温脱附或化学洗脱实现重复再生，适用于工业废水处理与河道治理。

此外，气凝胶还能吸附空气中的 PM2.5、甲醛、VOCs（挥发性有机物）：因其比表面积大，不仅吸附效率高，使用寿命也更长，可用于空气净化器、汽车空调滤芯等产品。

思考一个问题：气凝胶与保温棉在功能上有相似之处，但相比保温棉，气凝胶有什么优势？

（1）气凝胶的导热系数和密度均低于保温棉，意味着它在隔热效果和轻量化程度上更具优势；

（2）其耐热温度高于高温棉，能适应更严苛的高温环境；

（3）气凝胶的机械性能更好，使用时不易掉渣，稳定性更强。

因此，气凝胶更适用于 “对隔热效率、轻量化、空间温度要求苛刻” 的场景，如航空航天、高端制造、新能源等领域。不过，气凝胶也存在成本较高等问题；而传统隔热棉因成本更低，仍在普通建筑保温、低端工业隔热等 “成本敏感” 场景中被广泛应用。

05气凝胶的常规制备方法

气凝胶的常规制备方法上是 “溶胶 - 凝胶法” 与 “干燥法” 的结合，这一原理和我们常吃的冻干草莓几乎一致。具体可以从 “构建骨架” 和 “干燥保形” 两个关键步骤来看：

（1）气凝胶的 “溶胶→凝胶” 阶段，核心是构建 “由液体填充的纳米材料骨架”。

而冻干水果的前期处理类似 —— 先将新鲜水果（本身是含大量水分的 “软质结构”）快速冷冻，让果肉中的水分凝结成冰晶。此时，这些冰晶会像 “支架” 一样撑起果肉的纤维结构，避免后续干燥时果肉坍塌，这和凝胶中液体支撑纳米骨架的作用原理相通

（2）气凝胶采用 “冷冻干燥” 时，会在真空环境下让凝胶中的冰晶直接从固态升华成气态，这样能避免液体流动破坏脆弱的纳米骨架

冻干水果的干燥过程也完全相同 —— 同样在真空条件下，让果肉中的冰晶直接升华，水分被去除后，果肉原有的纤维骨架（比如草莓的果肉纹理、芒果的纤维结构）能完整保留，最终形成疏松、多孔且能快速复水的冻干形态。

两者唯一的区别在于：气凝胶的骨架是纳米级的，其内部孔隙肉眼无法看见；而冻干水果的骨架是微米或毫米级的，我们用肉眼就能清晰看到它内部疏松的孔洞

06静电纺丝制备气凝胶

想知道静电纺丝如何制备气凝胶吗？我们通过两篇文章来了解下

（1）西安理工大学李福平团队在《ACS Applied Nano Materials》期刊上发表了题为 “High Temperature Thermal Insulation Ceramic Aerogels Fabricated from ZrC Nanofibers Welded with Carbon Nanoparticles” 的文章，其中详细介绍了利用静电纺丝制备气凝胶的过程及优势。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsanm.4c00280

该团队的制备流程如下：首先通过静电纺丝技术制备出 ZrC 纳米纤维，接着将这些纳米纤维剪碎，随后通过冷冻干燥工艺构建多孔结构，最后借助 RF（间苯二酚 - 甲醛树脂）碳化引入碳颗粒，最终成功制备出蜂窝状多孔结构的气凝胶。这种气凝胶的孔壁由 ZrC 纳米纤维相互搭接形成，纤维之间则通过 RF 碳化生成的碳纳米颗粒实现紧密连接，因此兼具超低导热性、高机械性能与 1400℃的高温稳定性。

在这一过程中，静电纺丝技术发挥了关键作用：一方面，它能够制备出气凝胶的核心骨架单元 ——ZrC 纳米纤维，并赋予该纳米纤维良好的柔性与结构适配性，有效解决了传统气凝胶因纳米颗粒仅通过弱范德华力堆叠而导致的结构不稳定、机械性能差等问题；另一方面，静电纺丝形成的纤维结构，也为后续 “碳纳米颗粒焊接” 工艺的实施与多孔结构的构建提供了重要前提，进而提升了气凝胶的耐热温度。