赵杰 范廷玉 罗豪伟

【关键词】气凝胶;多孔材料;单向冷冻;双向冷冻;正交冷冻

【中图分类号】TB33 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）09-0065-03

0 引言

气凝胶是一种超轻材料，目前被认为是地球上最轻的固体[1]。具体而言，气凝胶具有超低密度（0.001～0.5 g/

cm3）、极高的孔隙率（80%～99.8%）、较高的比表面积（100～1 600 m2/g）、纳米级孔隙（1～100 nm）、低热导率[13～25 mW/（m·K）]等特点。这些优点引起了科学界和工业界的强烈关注。

气凝胶内部是无数微孔和细长的细胞壁。这种微妙的微观结构决定了材料的机械性能。为了制备功能化的多孔材料，通常是在一些溶剂中制备气凝胶，然后非常小心地去除溶劑，因为在普通溶剂蒸发过程中，气凝胶的骨架毛细张力很脆弱，如果采用普通蒸发方式，材料可能会严重塌陷并形成“干凝胶”。近些年，使用常压干燥制备的材料总是呈粉末状，导致制备过程单一且枯燥，实际应用具有局限性。目前，避免塌陷的方法有两种，即固体溶剂升华冷冻干燥和超临界干燥。

经典的SiO2气凝胶通常采用溶胶-凝胶法制备，然后通过超临界干燥法对材料进行干燥[2]。然而，超临界CO2法虽成功克服了高温、高压条件的不足，但实验操作十分烦琐。

相比之下，冷冻干燥或冻干是一种更简单的方法。因为水是最常用的溶剂，它在低温和低压条件下通过升华容易去除。冷冻干燥法的显著优点是原料100%转化和水的循环利用，没有污染和挥发性有机化合物（VOC）产生的问题，因此使用这种方法制备气凝胶材料是非常有市场前景的。目前，金属/金属氧化物气凝胶、碳气凝胶、聚合物气凝胶及聚合物和纳米填料的复合气凝胶已通过冻干实现，并可用于吸收剂、热隔离、弹性响应导电、组织工程等。……