气凝胶+芳纶纤维=“超级复合铠甲” 芳纶气凝胶复合技术新突破！

百科大全 2025年07月28日 02:51 1 admin

气凝胶是一种由纳米级胶体颗粒相互连接形成的三维多孔固体材料，其内部孔隙被气体填充，形成独特的纳米多孔结构。它因凝胶中的溶剂被气体完全取代而得名，被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）定义为“由分散相为气体的微孔固体组成的凝胶”。

气凝胶具有极低的密度，是目前已知最轻的固体材料之一，最轻的气凝胶密度仅为0.16mg/cm³，略低于空气密度。同时，它还具有高孔隙率（孔隙率高达99.9%）、高比表面积、低导热系数（热导率可低至0.012W/(m·K)）、低折射率、低声阻抗等多种优良物理性能。此外，气凝胶还具备良好的隔热性、阻燃性、绝缘性和隔音性，是一种绿色环保的材料。

由于其力学性能相对较差，气凝胶通常需要制备成复合材料以增强其力学性能，从而拓宽其应用范围。气凝胶凭借其卓越的隔热效果、超长的使用寿命和超强的耐火性能等优势，在新能源、石油化工、工业隔热、建筑建造等领域具有广泛的应用价值。例如，它可以用于动力电池隔热、工业管道保温、建筑外墙隔热等场景，是一种极具潜力的热管理材料，被誉为“改变世界的神奇材料”。

气凝胶外貌图

性能参数

与传统保温材料相比，气凝胶保温隔热性能更好，使用寿命更长。气凝胶超低的导热系数保证其优秀的隔热效果，隔热性能是传统保温材料的2-5倍，并且从-200℃到650℃环境均可使用。同时，气凝胶的纳米孔特殊结构使其耐压抗拉，使用寿命更是传统材料的5倍以上。

常见气凝胶性能表

气凝胶与传统保温材料性能相比

隔热机理

气凝胶突出的隔热性能来自于其多孔结构。气凝胶的孔径尺寸低于常压下空气分子平均自由程，因此空隙中的空气分子近似静止，从而避免了空气的对流传热。气凝胶极低的体积密度及多孔结构的弯曲路径也阻止了气态和固态热传导，趋于“无穷多”的空隙壁可以使热辐射降至最低。三方面共同作用，几乎阻断了所有热传递途径，使气凝胶达到其他材料无法比拟的隔热效果。

隔热机理

分类

气凝胶已经从最初的SiO2气凝胶发展成为庞大的气凝胶家族。

根据气凝胶的外观，可分为块体、粉末和薄膜；根据气凝胶的制备方法，可分为气凝胶、干凝胶、冻凝胶；根据不同微观结构，可分为微孔（<2nm）、中孔（2~50nm）和混合多孔气凝胶；根据基体，可分为无机、有机、混合和复合气凝胶；最常用的气凝胶分类方法是通过组分来区分，可分为单组分和多组分气凝胶。

单组分气凝胶包括氧化物气凝胶、碳化物气凝胶、氮化物气凝胶、石墨烯气凝胶、量子点气凝胶、金属气凝胶、聚合物基有机气凝胶、生物质基有机及碳气凝胶、硫化物气凝胶等。

多组分气凝胶（复合气凝胶）是指由两种及以上单组分气凝胶构成或者由纤维、晶须、纳米管等增强体与气凝胶基体相结合的气凝胶复合材料。如，有机纤维-SiO2气凝胶等。组成、结构不同的气凝胶，展现出独特的性质，适用于特定的应用场景。

发展历程

萌芽期（20世纪40年代早期）

美国孟山都公司（Monsanto Corp.）与气凝胶的发现者Steven S. Kistler合作，采用乙醇超临界干燥技术生产气凝胶粉体，尝试将其应用于化妆品、硅橡胶添加剂、凝固汽油增稠剂等领域。然而，由于制造成本高昂以及应用开发滞后，孟山都公司于20世纪70年代终止了气凝胶项目。这一阶段的尝试虽然未能成功，但为后续气凝胶的产业化积累了初步经验。

发展期（20世纪80年代）

这一阶段出现了多种技术方向的突破：

1984年，瑞典Airglass公司采用甲醇超临界技术，产品用于切伦科夫探测器。

1989年，美国Thermalux公司采用CO₂超临界技术，但因经营不善项目终止。

1992年，德国Hoechst公司采用常压干燥技术生产气凝胶粉体，推动其在隔热涂料、消光剂等多个领域的应用。

2003年，中国同济大学开始发表常压干燥的研究论文，标志着中国在该领域的投入逐步增多。

这些尝试推动了气凝胶技术的多样化发展，为后续产业化奠定了技术基础。

产业化（21世纪初）

1999年，美国Aspen Systems公司承接美国宇航局课题，成功制备出纤维复合的气凝胶超级绝热材料。

2001年，Aspen Aerogel公司正式成立，将气凝胶绝热毡推广应用至航天军工、石化领域。

2003年，全球领先的特种化学品公司Cabot通过兼并德国Hoechst，掌握了常压干燥制备SiO₂气凝胶材料的生产技术，主要产品为气凝胶粉体颗粒。

这一阶段，气凝胶的商业化应用取得初步成功，找到了良好的商业化产品模型。同时，2004年中国开始出现从事气凝胶材料产业化研究的企业，国内产业起步。

成熟期（2010年至今）

随着气凝胶制备技术的成熟和工艺成本的降低，产业规模不断扩大：

2010年开始，国内企业陆续开拓了工业设备管道节能、新能源汽车安全防护、建筑防火隔热保温等应用市场。

2017年，中国发布《纳米孔气凝胶复合绝热制品》（GB/T 34336-2017）国家标准，气凝胶被列入国家重点节能低碳技术推广目录。

2023年，气凝胶再次被列入《建材工业鼓励推广应用的技术和产品目录》，相关技术得到进一步推广。

这一阶段，气凝胶市场日益成熟，应用领域不断拓宽，市场需求增加，推动了产业的快速发展。中国在第四次产业化中发挥了重要作用，通过技术创新和成本控制，推动了气凝胶的普及应用。

芳纶气凝胶

二氧化硅气凝胶是目前隔热领域研究最多也是较为成熟的一种耐高温气凝胶，二氧化硅气凝胶纳米颗粒通过相互连接构建了多重网格结构，但颗粒间的连接较弱，导致纯二氧化硅气凝胶存在力学性能差、强度低、脆性强等缺点。为解决这些问题，研究者们探索了多种增强策略。芳纶纤维，以其低密度、低导热性和高机械强度，成为增强二氧化硅气凝胶的理想选择。芳纶纤维在空气中的分解温度高达约450°C，使其特别适合用于高温隔热应用。2016年，芳纶纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料（AF/气凝胶）成功制备，随后，缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）接枝芳纶纤维以及聚四氟乙烯涂层芳纶纤维气凝胶复合材料相继推出。这些复合材料在保持低密度和低导热性的同时，显著提高了抗压强度和弯曲强度。

进一步的研究表明，芳纶纤维的热性能和机械性能使其在防弹应用中表现出色。与芳纶织物相比，气凝胶整体的防弹测试样品中织物的穿孔率减少了72%。Almeida等人在2021年比较了二氧化硅气凝胶与芳纶纤维、毛毡的增强效果，发现使用细长纤维的复合材料具有更低的堆积密度和更好的柔韧性，适合于形状适应和振动应用。

芳纶增强气凝胶复合材料制备流程图

芳纶与气凝胶的复合，实现了材料性能的互补与提升。芳纶纤维作为增强体，为气凝胶提供了强大的力学支撑，改善了气凝胶的力学性能，而气凝胶则利用其隔热、吸音等特性，与芳纶纤维相辅相成。例如，通过湿法抄纸工艺制备的芳纶/气凝胶复合材料，在保持芳纶纸使用性能的同时，具有更好的耐热性能。这些复合材料在隔热领域的应用前景广阔，为材料科学的发展提供了新的思路和可能。

芳纶气凝胶复合材料的隔热性能堪称一绝，这主要得益于其独特的微观结构。气凝胶内部拥有大量的纳米级孔隙，这些孔隙相互连通，形成了一个三维多孔网络结构。当热量传递时，气体分子在孔隙中进行热传导，而气凝胶的高孔隙率使得气体分子的平均自由程增大，从而大大降低了气体的热传导效率。同时，气凝胶的固体骨架由纳米级的颗粒或纤维构成，其表面积很大，热量在固体骨架中的传导也受到了极大的阻碍。此外，气凝胶的低辐射率也使得其能够有效地阻挡热辐射的传递。

芳纶纳米纤维气凝胶隔热性能示意图

复合工艺与设备赋能

在芳纶气凝胶复合材料的制备过程中，复合工艺的优化是实现性能突破的关键一环。目前，湿法抄纸工艺因操作可控性强、材料均匀性高而被广泛采用——将芳纶纤维与二氧化硅气凝胶前驱体溶液均匀混合后，通过抄纸成型设备形成湿纸幅，再经老化、干燥等工序去除溶剂，最终获得兼具高强度与低导热性的复合材料。这种工艺不仅能保留芳纶纤维的力学优势，还能让气凝胶的纳米多孔结构完整嵌入，形成“刚柔相济”的协同效应。

而在复合工艺的关键设备选型中，热压复合技术正凭借其对材料微观结构的精准调控受到关注。以上海联净研发的热压复合设备为例，其通过精确控制温度场与压力场的分布，可在芳纶纤维与气凝胶界面形成更稳定的化学键合。设备采用的梯度升温系统能避免气凝胶在高温下的结构坍塌，而多段压力调控功能则可根据不同密度需求（如12-18 g/m²的芳纶气凝胶毡）调整压实程度，确保复合材料在保持孔隙率的同时提升界面结合强度。电磁加热辊的引入为温度场调控提供了革新性解决方案。该技术通过电磁感应原理，使加热辊内部金属导体产生涡流效应，从而实现辊面温度的快速均匀升温。这种设备赋能的工艺创新，本质上是对材料界面科学的具象化实践。

辊体中高曲线图

热压复合设备

应用领域

由于芳纶气凝胶纤维具有传统气凝胶材料及传统纤维材料所不具备的诸多优势，同时具有高比表面积、低热导率和良好的力学强度，在纺织保暖领域具有广阔的应用前景。目前，高端保暖絮片或织物采用的纤维超细纤维或中空纤维，芳纶气凝胶纤维热导率低于上述2种纤维，利用芳纶气凝胶纤维加工成的絮片或织物具有优异的隔热性能；同时，气凝胶纤维间微米/毫米级大孔提供透气性，满足保暖领域对透气性的要求。

芳纶气凝胶纤维织物与芳纶气凝胶相变纤维智能调温织物

芳纶气凝胶薄膜由互连的纳米纤维组成,具有高孔隙率和超亲水/水下超疏油特性,能高效进行水包油乳液分离(分离效率达98.1%),渗透率高达1940L/(m 2·h),循环10次后仍保持98.0%以上的高分离效率,因此,芳纶气凝胶薄膜在乳液分离领域具有广阔的应用前景。碳纳米管/芳纶气凝胶膜及其炭化后气凝胶薄膜具有三维多孔网络结构和高导电性能,适合作为电磁屏蔽材料。

气凝胶薄膜的微观形貌（标尺500nm）

3D打印芳纶气凝胶具有可设计的力学性能,芳纶气凝胶继承芳纶优异的力学性能,3D打印又赋予其任意形状,通过简单结构设计即可实现力学性能的定制,如抗剪切、抗冲击、抗压痕等。

3D打印芳纶气凝胶具有形状可设计性,可实现三维复杂结构一体化成型,为特殊形状物体隔热保温提供了发展空间。例如,无人机锂聚合物软包电池具有不规则外形。得益于芳纶气凝胶良好的隔热性能和耐极端高低温性能,在极低温环境下,由该3D打印保温套件保护的电池仍可以正常工作。

除直接应用,还可作为结构可设计多孔骨架,负载功能流体,获得不同功能的复合材料。例如,负载相变材料可获得热刺激驱动的形状记忆材料,在新型传感器、执行器和机械设备方面具有应用潜力。

3D打印气凝胶试样

作为气凝胶纤维领域的创新细分品类，芳纶气凝胶纤维正以蓬勃之势撬动千亿级应用蓝海。当前，其凭借低密度隔热特性与高强度力学性能的黄金配比，已在新能源汽车电池防火、航天设备热防护等尖端领域崭露锋芒，市场规模年复合增长率突破20%。

在政策与资本的双轮驱动下，我国龙头企业正加速突破超临界干燥工艺壁垒，科研机构亦在芳纶纤维表面改性技术上取得关键进展，预计2028年本土企业将实现从实验室样品到产业化应用的跨越式突破。这片尚待开拓的新材料疆域，正等待更多创新力量共同书写“从跟跑到领跑”的中国方案。

文章参考资料：中国复材、高分子物理学、新材料纵横、上海联净

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