气凝胶材料自1931年Kistler首次制备氧化硅气凝胶以来，其分类体系经历了从简单到复杂的发展过程。早期以化学组分划分为主，如无机气凝胶（SiO₂）、有机气凝胶（RF树脂）和碳气凝胶。随着材料科学的进步，分类标准逐渐扩展到微观结构（纳米球/片层/管状）、功能特性（导电/绝缘/催化）及制备方法（溶胶-凝胶/模板法/发泡法）等维度。这种多维分类体系的建立，为气凝胶材料的精准设计和性能调控提供了理论基础。

化学组分导向的分类体系

无机气凝胶

以氧化硅气凝胶为代表，其纳米微球结构赋予材料超低导热系数（<0.013 W/m·K）。NASA开发的柔性气凝胶毡已实现商业化应用，但脆性缺陷限制了其工程应用。近年来通过引入桥联氧化硅单体（如乙烯基硅氧烷）实现力学增强，使材料韧性提升3倍以上。

有机高分子气凝胶

酚醛树脂基RF气凝胶具有优异的热稳定性（耐温>200℃），但密度偏高（>0.1 g/cm³）。纤维素气凝胶通过单向冷冻法可制备各向异性结构，其隔热性能优于传统泡沫材料。原料可再生性和生物降解性使其成为环保领域研究热点。

碳系气凝胶

间苯二酚-甲醛体系制备的碳气凝胶具有独特导电网络（电导率>10 S/cm），在超级电容器领域展现优势。中国科学院金属研究所开发的高强韧碳气凝胶（断裂韧性1.01 MPa·m¹/²）成功通过1.6吨汽车碾压试验，为极端环境热防护系统提供新方案。

什么是复合气凝胶

复合气凝胶通过组分协同突破单一材料性能瓶颈。各种结合不同化学组分和结构的复合气凝胶赋予气凝胶不同复合物的优异性能，解决单一组分气凝胶面临的问题，提升目标气凝胶的综合性能，实现结构与性能的调控。与单一组分气凝胶相比，复合气凝胶的制备方法与单一气凝胶类似，包括前驱体溶液的制备、凝胶化、干燥等基本步骤。最大的不同在于前驱体的调控，可将混合溶液放置在模具中，待成型后凝胶、干燥。原料之间的质量配比、反应时间和温度、交联剂的种类及浓度等因素至关重要。

例如，Wang等采用定向冷冻法、控制不同填料比等方式来调控气凝胶的序列化微结构，成功制备出一种具有优异的屏蔽性能、导电性、力学性能及突出热稳定性的纳米纤维素/Ti3C2Tx MXene复合气凝胶。该材料电磁屏蔽性能的极大提升得益于气凝胶内部的序列化网络结构以及MXene组分，电磁波在材料内部不断反射与吸收，最终逐渐耗散，从而达到屏蔽效果。这种微结构调控策略以及超高屏蔽效能的序列化3D结构的制备能有效拓展气凝胶在电磁屏蔽领域中的应用。

典型及新型气凝胶种类有哪些

近年来气凝胶的迭代发展非常迅速，各类基于新构建单元（前驱体）的气凝胶被不断合成。以下简要概括并介绍典型及新型气凝胶种类，包括氧化硅气凝胶、纤维素气凝胶、碳气凝胶、石墨烯及氧化石墨烯气凝胶、硫族化合物气凝胶、新型纳米管气凝胶、纳米金属气凝胶及超分子气凝胶等。

氧化硅气凝胶（silica aerogel）

氧化硅气凝胶于1931年被Kistler首次制备成功，导热系数非常低，在隔热保温领域应用广泛。作为现存最有效的绝缘体之一，美国国家航空航天局与工业界合作，在20世纪90年代创造了世界上第一块实用且柔软的气凝胶毡，助力火箭燃料低温运行与航天材料的应用。但是材料价格相对昂贵且存在脆性的缺点。近年来氧化硅气凝胶的主要研究重心在于引入有机基团实现其力学增强与增韧，如采用桥联氧化硅单体、乙烯基硅氧烷单体等，都取得了巨大的成功。

纤维素气凝胶（cellulose aerogel）

纤维素气凝胶以纳米纤维为构建单元，是近年来开发出的新品种，具有原料来源广泛、绿色环保、生物相容性好等优点。如采用单向冷冻或双向冷冻法制备的各向异性纤维素基气凝胶表现出优异的隔热性能，且显著优于商品化的发泡聚苯乙烯、聚氨酯泡沫等隔热材料。该种气凝胶基于可再生材料，相比其它更加绿色、降低能源消耗。

碳气凝胶（carbon aerogel）

碳气凝胶及其复合气凝胶具有低密度、低模量、导电性好、吸光率高等特性，可用来制备压力传感器材料以及超级电容器电极材料等。经典做法是将间苯二酚与甲醛混合，Na2CO3发挥催化作用，以溶胶-凝胶法为主，往往需在氮气或者氩气气氛保护下升至高温并恒温处理数小时，以进行碳化处理，最终干燥得到碳气凝胶。

氧化石墨烯气凝胶（graphene oxide aerogel）

氧化石墨烯气凝胶具有三维连续多孔的网络结构，兼备氧化石墨烯优异的物理化学性质和气凝胶的结构特点，集超大比表面积、极高孔隙率、超低密度、超低热导率、强疏水性、强吸附性、高弹耐压性、高导电性等优异性能于一体，在能源存储、传感、催化、吸附及油水分离、环境保护、降解与屏蔽等领域有重要的应用前景，是近年来的新型热门材料之一。

Gao等在该领域做了大量开创性研究工作。2013年以石墨烯为壁、碳纳米管为骨架，协同组装成兼具优异弹性、导电性、吸油性且超轻量的全碳气凝胶，密度仅为空气密度的六分之一，可以稳定地浮于麦穗表面。低温下采用无模板“溶胶-冷冻”法处理石墨烯和碳纳米管的混合溶液，冻干获得形状可任意调节的气凝胶，大大简化了组装过程，迈出了超轻气凝胶举足轻重的一步。2018年提出了多级分层协同组装策略制备高度可拉伸的全碳气凝胶弹性体。石墨烯和碳纳米管之间的分层结构和协同效应使材料实现了200%的伸长率。超低密度（5.7 mg·cm⁻³）、优异抗疲劳性（10⁶次循环拉伸）等，为其在应变传感器、柔性可穿戴设备、智能机器人及航空航天领域的广泛应用奠定了基础。该组装策略可精确控制整体结构层次且操作简单，是一种精确制造高循环拉伸性气凝胶和其它无机弹性体的普适方法。

目前石墨烯气凝胶（graphene aerogel，简称GA）的常规制备方法包括溶胶-凝胶法和模板法。其中溶胶-凝胶法受限于干燥成本高、微观形貌调控难；模板法涉及模板的祛除，限制了GA的连续化批量生产，同时造成不可避免的模板边界界面结构的缺陷。基于石墨烯片层的溶致塑性，近日Gao等提出了“溶致塑化发泡”法，类似聚合物泡沫的“热塑发泡”法，可实现GA的大规模连续化与高精度微型化制备，避免了特定干燥过程中高能耗和模板的引入。得益于溶致塑化与气泡张力的共同作用，气凝胶中的搭接缺陷很大程度上得以消除，因此该法制得的GA具有优异的机械稳定性，能够用于超灵敏GA微阵列触觉传感器。

硫族化合物气凝胶（chalcogenide aerogel）

基于半导体II~VI或IV~VI骨架制成的硫族化合物气凝胶的生产策略涉及结晶性纳米粒子的组装、超临界干燥等，通过控制表面封端硫醇基团的氧化损失实现凝胶化。所得多孔性半导体材料（例如PbS、CdSe、CdS、ZnS气凝胶）具有高比表面积，同时显示出独特的特征光学性质。

Brock课题组在硫族化合物气凝胶方面做了大量创新性工作。团队提出涉及量子点效应的溶胶-凝胶法、水基共价金属离子交联策略等；研究了CdS气凝胶在可见光照射下对有机染料的降解催化效率、初级组装粒子形状对气凝胶孔隙率、机械强度、发光强度、热电等基本性能的影响；并总结了其在传感、光伏、光催化领域的应用前景。

新型纳米管气凝胶（novel nanotube aerogel）

新型纳米管气凝胶的开发为气凝胶的结构和性能调控提出了新思路。在气凝胶多孔结构基础之上，引入连续空芯结构，进一步提升了气凝胶的隔热性能。

例如，Du等通过模仿北极熊毛发的膜孔结构，以碳气凝胶为牺牲骨架，结合化学气相沉积法，获得了新型二氧化硅纳米管气凝胶。该材料具有优良的保温隔热性能和远红外阻隔能力，其纤细的纳米管状结构增强了瑞利散射，使其可见光和近红外线的透射率高而紫外透射率很低，为高纬度地区或太空的高效采光、集热和紫外防护问题提供了解决方案。

Yu等同样受北极熊毛发中空结构的启发，以一维纳米线作为模板，合成了一种中空碳纳米管气凝胶。由于独特的微观结构，该新型碳管气凝胶表现出超轻、超隔热、超疏水、超弹性和优异机械性能。有望满足极端条件下对高性能材料的需求，例如航天航空领域中轻量化隔热保温材料、弹性体材料等。

金属气凝胶（metal aerogel）

作为一类新兴多孔材料，金属气凝胶（metal aerogel，简称MA）近年来引起了极大的关注。其结合了金属和气凝胶的特征，有望成为催化性能优异的新型电催化剂。

Eychmüller和Du等揭示出贵金属凝胶的自修复行为，开发了一种非常规的新型快速胶凝策略，在室温下1~10 min内即可生成各种本体金属凝胶（包括Au、Ag、Pd、Rh等）。实验基于凝胶化过程中引入的扰动场可以促进物质运输并诱导加速反应动力学的机理。光照下MA的活性提高了45.5%，电流密度提高了7.3倍，为MA光电催化性能研究开创了先河。

超分子气凝胶（supramolecular aerogel）

超分子气凝胶是近年来成功制备的新品种之一。超分子体系是指通过次级相互作用（非共价键）构筑而成的组装体，由于超分子作用通常为动态作用，具有可逆性，因此在智能识别、可控释放、有序组装、智能响应、形状记忆等领域中具有重要应用价值。环糊精（cyclodextrin，简称CD）是一类由吡喃葡萄糖单元构成的大环分子，能够通过包结作用与多种小分子、金属离子以及聚合物形成主-客体包结物，从而实现对客体分子理化性能的调控。通过α-CD与聚乙二醇（polyethylene glycol，简称PEG）在水中自组装形成超分子水凝胶，再通过超临界二氧化碳干燥得到超分子聚轮烷气凝胶，所得气凝胶微块体材料，能够支撑自身重量1000倍以上的重物，具有管道结晶和PEG结晶双晶区，将气凝胶的隔热性能和相变储能功能有机融合一体。通过超分子相互作用交联形成的超分子水凝胶在生物医学、智能水凝胶和刺激反应系统领域中的有趣应用引起了极大的关注。因其具有可降解、可逆、生物相容性和可注射性，可用于生物医药领域，如组织工程、药物输送和细胞成像。

应用领域的技术突破

能源存储：石墨烯气凝胶基超级电容器能量密度达56 Wh/kg（功率密度1.2 kW/kg）

环境治理：CdS气凝胶对亚甲基蓝的吸附容量达850 mg/g（30 min内完成）

柔性电子：全碳气凝胶应变传感器灵敏度GF=21.3（0-100%应变）

航空航天：纳米管气凝胶在-196℃至800℃温区内导热系数波动<5%

未来发展方向

多尺度结构设计：发展4D打印技术实现时空可控的异质结构

绿色制备工艺：开发常压干燥替代超临界干燥（能耗降低80%）

智能响应功能：构建pH/光/磁多刺激响应的超分子网络

生物医学应用：开发可注射型气凝胶载药系统（载药量>20%）

当前，气凝胶材料正从单一功能向多功能集成发展，从实验室制备向规模化生产转型。通过精准控制化学组分和微观结构，有望开发出具有革命性性能的新一代功能材料，在极端环境防护、智能传感、清洁能源等战略领域发挥关键作用。