气凝胶可以按主要成分分为硅系、碳系、硫系、金属氧化物系和金属系等,也可以分为单组分气凝胶(如二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶等)和多组分气凝胶(二氧化硅/氧化肽气凝胶、有机/无机复合气凝胶等)。这些不同类型的气凝胶具有各自特点,在不同领域有着广泛的应用。
气凝胶还可分为无机气凝胶,如硅气凝胶(强隔热性能等),有机气凝胶,如以间苯二酚和甲醛为原料制备的RF气凝胶,还有综合了无机气凝胶以及有机气凝胶优点的无机一有机复合气凝胶。
左为硅气凝胶,右为石墨烯气凝胶
分类/1
无机气凝胶
Si02(二氧化硅)气凝胶,Si02气凝胶是目前研究最多、最成熟的气凝胶材料。Si02气凝胶采用的前驱体(硅源)是硅酸钠,溶胶一凝胶过程中硅酸钠与酸(如盐酸)反应生成含有无机盐的Si02气凝胶。为了获得完整无裂纹的Si02气凝胶,上述凝胶中的无机盐必须除去。目前Si07气凝胶的研制和生产大多采用有机醇盐,最常见是正硅酸四甲酯( TMOS)和正硅酸四乙酯(TEOS)。TMOS具有比TEOS更高的水解速度,并且得到的Si02气凝胶的孔径分布更窄、比表面积更高。但TMOS在水解一聚合过程中会产生甲醇,因此国内大多采用TEOS为前驱体合成Si02气凝胶,而国外以TMOS为前驱体合成Si02气凝胶的报道较多。
其他氧化物气凝胶除Si02气凝胶外,Al2O3气凝胶是研究较多的一类氧化物气凝胶,Al2O3气凝胶具有比Si02气凝胶更好的耐温性,作为隔热材料或者催化剂载体具有更大的应用范围,与Si02气凝胶类似,制备Al2O3气凝胶的前驱体也包括无机铝盐(通常是氯化铝和硝酸铝)和有机铝醇盐(通常是异丙醇铝和仲丁醇铝)。相对于有机醇盐,无机铝盐成本低,相应的溶胶一凝胶工艺更加简单,在大规模生产应用中具有相当的优势。
分类/2
有机气凝胶
有机气凝胶最早是由美国Lawrence Livermore国家实验室以间苯二酚和甲醛为原料,得到了间苯二酚一甲醛( RF)气凝胶,标志着有机气凝胶的问世。随着RF气凝胶的出现,又逐渐制备出了苯酚一呋喃甲醛、甲酚一甲醛等有机气凝胶。近年来,随着高分子材料的广泛使用,有机高分子聚合物气凝胶被人们所研究。有机气凝胶不同于无机气凝胶的最大特点是有机高分子聚合物具有灵活的分子设计性,这使得有机气凝胶的性能变得更易为人们所控制,可以通过多元化的分子设计得到更多性能多元化的产品。有机聚合物种类繁多,几种常见的有机合成聚合物气凝胶的性能和应用如下表所示。
气凝胶是一个固体物质形态,包括碳化物、氧化物、金属、非氧化物、半导体等多种材料都可以制作成气凝胶,各种气凝胶结构、性质不同。
气凝胶也可以加工成多样形态及复合利用以适应不同的应用场景,如气凝胶颗粒、气凝胶毡、气凝胶板和气凝胶涂料。
分类/3
碳气凝胶
炭气凝胶最大的特点就是其在惰性及真空氛围下高达2000℃的耐温性,石墨化后耐温性能甚至能达到3000℃,而且炭气凝胶中的炭纳米颗粒本身就具备对红外辐射极好的吸收性能,从而产生类似于红外遮光剂的效果,因此其高温热导率较低。但是在有氧条件下,炭气凝胶在350℃以上便发生氧化,这使得其在高温隔热领域的应用受到了极大地限制。随着SiC、MoSi2、HfSi2、TaSi2等高抗氧化性涂层的发展,在炭气凝胶材料表面涂覆致密的抗氧化性涂层,阻止氧气的进一步扩散,将使该材料具备极大的应用前景。
二氧化硅气凝胶可以根据其应用方向的不同分为:
根据大小形态又可分为粉体(50-400目)、颗粒、块体、规则形状定制的气凝胶。