作者：张清泽
来源：《新材料产业》 2018年第9期
在日常生活中，轻型材料一般指的是轻型木塑材料，其主要原料包括木屑、竹屑、稻壳等天然木质纤维，它们以良好的物理、力学性能等优点被用于填充改性和高分子界面化学。随着科学技术的提高，科学家又不断发现比轻型材料密度更小、在某些领域性能更加优越的材料，科学家称之为超轻型材料。本文主要介绍被科学界公认的超轻型材料，包括飞行石墨、全碳气凝胶、纤维气凝胶等，它们不仅具有良好的延展性、弹性和吸附性，而且还具有稳定的性能。其中飞行石墨还具有良好的导电性和坚固性，因而常被应用于航空航天和卫星领域所用的电子设备。尽管目前科学家难以估计其中某些材料的应用领域和具体应用价值，但是这些材料可能具有的发展前景以及其对人类生活的意义是不容否认的。 一、飞行石墨的产生、特征及其发展前景
1. 飞行石墨的产生
飞行石墨[1] （A e r o g r a p h i t e）是2012年7月被英国基尔大学和德国汉堡科技大学的科学家研制
出的一种物质物质。其密度仅为0.2m g / c m3，是当时最轻的材料，是如今已知第2轻的材料，仅次于全碳气凝胶。图1所示为飞行石墨宏观图。
2. 飞行石墨的特征
飞行石墨的密度很小，虽然它的外观看起来不透明而且很“结实”，但却是有99.99 ％ 的部分都是由空气组成。其性能相对较为稳定，在导电性上也具有明显的优势、而且还具有可延展性。飞行石墨尽管密度很小，质量很轻，但是却具有很好的弹性，发生弹性形变的范围很大，可以在被压缩95%的情况下，恢复到原有大小。此外，它还几乎能吸收所有光线。
3. 飞行石墨的发展前景
飞行石墨的性能十分稳定，因而涉及的应用领域十分广泛，其发展前景也十分广阔。
①飞行石墨可以应用于锂电池领域，如果在锂离子电池的电极上使用，会使电池所需要的电解质变少，而且由于其在质量上的优势，电池的质量也因此大为减轻。因而在供电需求相对不大的电动汽车上或电动自行车上，可以大大减轻这类交通工具的质量。飞行石墨可以让合成材料具有导电性，从而避免静电干扰。
②由于飞行石墨具有密度小、弹性好的特征，它也表现出了良好的抗震性，所以在经常承受大量振
动的位置也可以使用，如航空航天和卫星领域所用的电子设备上。
③石墨具有良好的吸附性，而飞行石墨在这一性能上更为突出，它能氧化或分解并移除水中的污染物。所以在水的净化除尘方面，飞行石墨可作为吸附剂将水中的污染物吸附其间，达到净化的目的。
二、气凝胶及其用途
race实验 1. 气凝胶的定义
气凝胶[2] （aerogel）是一种固体物质形态，同飞行石墨一样也是一种密度很小的物质。图2[4]为气凝胶的分子结构示意图。气凝胶的种类很多，根据其含有的元素组成不同，可分为硅系、碳系、硫系、金属氧化物系、金属系等等。由于制备过程的简易程度，一般常见的气凝胶为硅气凝胶。凝胶还需经一系列操作才可成为气凝胶，如采用干燥的方式除去凝胶内部的溶剂，但是进行此操作的同时还要保证其形状基本不变，且产物具有孔隙率高、密度低的特点。
2. 气凝胶的产生
气凝胶最初是由S . K i s t l e r于1931年制成并命名，首先出现的是二氧化硅气凝胶即硅系气凝胶。他采用超临界干燥方法干燥二氧化硅凝胶而成功制备，因此将其称为湿凝胶。经超临界干燥所得到的材料，简称气凝胶。图3所示为气凝胶宏观图。
到了20世纪90年代中后期，随着干燥技术的发展和进步，常压干燥技术出现了，这一技术的出现使气凝胶产生技术得到了长足的进步。气凝胶产生的核心在于将其中的溶剂采用气体代替，同时其生产的根源——凝胶的网络结构需基本保持不变。
3. 气凝胶的特点
封装外壳>230ore-095
（1）质量轻
尽管气凝胶密度很小，但是在宏观上的定义仍是固体，所以目前为止是世界上最轻的一类固体。这种新材料密度仅为3.55k g / m3，同空气相比仅为其密度的2.75倍；干燥的松木是一种很轻的木材，密度为500kg/m3，却是气凝胶的140倍。机器人装配生产线
（2）外形特殊
气凝胶外观较为特殊，呈半透明状再加上其超轻的质量，有时也被称为“固态烟”或“冻住的烟”。
（3）耐热性好
气凝胶具有良好的耐热性，在1 400℃的高温下仍能保持性能稳定。
4. 气凝胶的用途
焗炉
气凝胶是研究分形结构及其动力学行为的最佳材料，因此被广泛用于科研领域。其中涉及的科研领域包括“863”计划高技术强激光研究方面、隔热材料方面、储能器件方面等。
气凝胶可用于制作火星探险宇航服。科学家马克·克拉杰沃斯基曾说过，“只要在宇航服中加入一个18mm厚的气凝胶层，那么它就能帮助宇航员扛住1 300 ℃ 的高温和-130℃的超低温，因而这是我见过的最有效的恒温材料。”
气凝胶可用于制造防弹服，用其制成的防弹服防弹性能十分优良。
气凝胶由于其表面孔隙率较高，是一种多孔固体，因此也具有很好的吸附性，在环保领域也可广泛应用，如水中的污染物或悬浮颗粒都可被其净化处理，是一种十分环保的新型材料。
三、全碳气凝胶的特点和用途
1. 全碳气凝胶材料
气凝胶是凝胶经干燥操作除去凝胶内部溶剂，却又保持凝胶基本网络结构不发生改变得到的产物，因此其具有密度小，空隙较多等外观特征。浙江大学高超教授的课题组制造出一种超轻物质，取名为“全碳气凝胶”，又称“碳海绵”，这种新型的气凝胶密度更小。
2. 全碳气凝胶的产生
2013年3月，高超教授课题组将含有石墨烯和碳纳米管2种纳米材料的水溶液在低温环境下冻干，制造出一种超轻物质，取名为“全碳气凝胶”。这种气凝胶，是当时世界上最轻的一类物质，它的内部有很多孔隙，充满空气。这种超轻型材料密度极小，可以立在狗尾草上（如图4）。
3. 全碳气凝胶的特点
全碳气凝胶具有如下一些特点：①全碳气凝胶[5]制造简便，可任意调节形状、尺寸。对全碳气凝胶进行的大规模制造已成为可能。②全碳气凝胶对有机溶剂有超快、超强的吸附力。③全碳气凝胶具有很好的导热能力与储热能力。④全碳气凝胶同飞行石墨一样具备很好的弹性，被压缩80%后仍可恢复原状。
4. 全碳气凝胶的用途
空气中取水
全碳气凝胶的用途主要有：①全碳气凝胶对有机溶剂具有较强的吸附性，因此有望在环境污染治理上发挥重要作用，如海上漏油、净水甚至净化空气等。②全碳气凝胶能够作为理想的储能保温材料。③全碳气凝胶能够作为催化剂载体而被广泛用于物理、化学行业。④全碳气凝胶还能作为高效复合材料。
全碳气凝胶对人类生活具有十分重要的意义，因此实现对其的大批量生产尤为重要。传统制作气凝胶的方式无法实现大规模的批量生产，而“低温冻干法”令气凝胶的大规模的生产成为可能。
四、纤维气凝胶的产生、特点及其发展前景
1. 纤维气凝胶的产生
2015年，我国东华大学的俞健勇院士、丁彬教授带领的纳米纤维研究团队在超轻纤维材料研究上获新成果，他们利用普通纤维膜材料开发出了一种超轻、超弹的纤维气凝胶，这种纤维气凝胶的固态材料密度仅为0.12m g / c m3，一块体积为20 c m3的“纤维气凝胶”可以轻松的“踩”在羽绒的几根绒毛上。
2. 纤维气凝胶的特点
纤维气凝胶除了具有气凝胶密度较小的特点之外，还具有以下一些特点：
①弹性好。纤维气凝胶在弹性的表现十分优异，对比于传统的碳气凝胶，其压缩回弹性提升了110%。
②导热好。纤维气凝胶的导热系数很低，是很好的绝热材料，接近于空气的导热系数。
③吸音好。纤维气凝胶的吸音效果很好，一块很小纤维气凝胶可以高效吸收范围在100 ～6 300H z宽频段内的音量。
④吸附效果好。纤维气凝胶与其他气凝胶一样也一种高性能的吸附材料，对液体污染物有较好的吸收能力。
3. 纤维气凝胶的发展前景
纤维气凝胶有望为近年来频发的海上石油污染灾害提供新的解决途径。未来，纤维气凝胶将可能用于制作隔音材料、航空航天领域的导热元件，以及应用于电子器件、组织工程等领域。
五、结语
以上介绍的几种超轻型材料，都具有绝对小的密度与质量，能够大大减轻目标材料的质量，并且由于具有优良的吸附性、稳定性等性能，在某项特殊领域能够被赖以使用。例如在净化环境领域，超轻型材料常被用于吸附水中的污染物、制成恒温箱或制成通风设备；在航空航天领域，超轻型材料常被制成轻型元件来克服大量的振动。超轻型材料中飞行石墨还具有良好的导电性，因而在人们的日常生活中，飞行石墨可被制成电动机车的轻型电池，既能大大减轻电池的质量，又能很好地储存电能、增加电池的寿命。可见，超轻型材料对于推动人类生活进步具有重要作用。
10.19599/j.issn.1008-892x.2018.09.009
参考文献
[1] 最轻材料“飞行石墨”：99.99%由空气构成[J].发明与创新（B）,2012（9）：6.
[2] 孔勇，沈晓冬，崔升．气凝胶纳米材料[J]．中国材料进展，2016（8）:12-20.
[3] 陈颖，邵高峰，吴晓栋，等.聚合物气凝胶研究进展[J]．材料导报，2016（13）:58-65,73.
[4] 史亚春，李铁虎，吕婧，等.气凝胶材料的研究进展[J]．材料导报，2013（9）:24-28.
[5] 柳景亚，李亮．碳气凝胶的制备及表征[D]．武汉：武汉工程大学，2016.
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