文章信息：
发表时间： 2026年07月06日
论文标题：Aerogels with ultra-low thermal conductivity: Structural design, processing and applications
期刊：Materials Science & Engineering R (IF 21.1，顶级综述期刊)
第一作者：Ming Gong
通讯作者：Yinzhou Guo, Hongguang Yang, Shengchun Yang
通讯单位： Xi’an Jiaotong University, China Institute of Atomic Energy
研究背景：
气凝胶作为一种由湿凝胶经干燥后保留三维纳米多孔网络的特种固体材料，以其超低密度、高孔隙率和超大比表面积而闻名。在热管理领域，气凝胶最引人注目的特性是其能够实现低于静态空气（约0.026 W m⁻¹ K⁻¹）的热导率，这使其成为理想的高效轻质隔热材料。随着全球能源效率要求的日益提高，建筑节能、工业高温隔热、电池热失控防护以及航空航天热防护等领域对隔热材料提出了越来越严苛的需求——不仅要具备超低热导率，还需兼顾轻量化、力学可靠性和环境稳定性。
气凝胶卓越的隔热性能源于其纳米多孔结构对三种主要传热途径的协同抑制：固相传热被稀疏且曲折的纳米骨架有效阻隔；当孔径小于气体分子平均自由程时，克努森效应显著抑制气相热传导；辐射传热则通过引入遮光剂或多级散射结构得以衰减。然而，气凝胶的规模化应用仍面临三大挑战：极端服役环境下的性能退化、固有的力学脆性，以及从刚性块体向柔性薄膜或织物形态转化的加工难题。如何在保持超低热导率的同时实现力学增强与功能集成，是当前气凝胶研究的核心科学问题。
文章内容总览图
内容总览：
本综述系统总结了超低热导率气凝胶在传热机制、结构设计、制备工艺及应用领域的最新进展。全文围绕“机制-结构-制备-应用”的完整链条展开，主要涵盖以下五个方面：
传热机制与热导率表征方法
文章系统梳理了气凝胶中固相传热、气相传热和辐射传热三种途径的物理机制。在固相传热方面，纳米尺度骨架通过增强声子边界散射和界面散射显著降低固相贡献；在气相传热方面，当孔径小于空气分子平均自由程（约70 nm）时，克努森效应成为抑制气相热传导的关键；辐射传热则随温度三次方增长，是高温隔热的主要瓶颈。文章还全面评述了稳态法（ guarded hot plate、heat flow meter）和瞬态法（laser flash analysis、transient plane source）等热导率测试技术的适用条件与误差来源，强调了对超低热导率材料需建立标准化测试协议。
多尺度结构设计策略
文章系统阐述了气凝胶微观结构设计的四大范式。颗粒/纤维网络结构通过构建“珠串式”或“鸟巢式”骨架，在减少连续导热路径的同时引入界面声子散射。层状与各向异性结构利用定向排列的孔道实现方向依赖性热管理，在特定方向上延长传热路径。泡沫/蜂窝连续骨架结构在保持隔热性能的同时提升力学承载能力。分级多孔结构则通过宏孔-介孔-微孔的跨尺度协同设计，兼顾密度降低、克努森效应增强与声子散射强化。文章特别指出，结构设计策略应依据服役条件选择——近常温超隔热依赖介孔网络，柔性隔热依赖纤维增强骨架，高温隔热则需引入辐射屏蔽与热稳定陶瓷骨架。
文章按材料类别系统梳理了氧化物气凝胶（SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂）、碳基气凝胶（石墨烯、碳纳米管、碳/陶瓷复合）、聚合物气凝胶（聚氨酯、聚酰亚胺、PBI、PBO）和生物基气凝胶（纤维素、海藻酸盐、壳聚糖）四大体系。通过跨家族性能对比，明确了各体系的优势温度窗口、力学特征与应用场景：SiO₂气凝胶是室温超隔热的成熟基准；Al₂O₃和ZrO₂基气凝胶将服役温度窗口拓展至1000°C以上；碳基气凝胶擅长多功能集成（导电、电磁屏蔽、耐烧蚀）；聚合物气凝胶在柔性与宽温域隔热间取得良好平衡；生物基气凝胶则为可持续发展提供了绿色路径。 制备工艺：从溶胶-凝胶到干燥与后处理 文章系统回顾了气凝胶制备的全链条工艺。溶胶-凝胶过程是构建三维网络的基础，可通过水解缩聚或预成型纳米单元组装实现。模板法与乳液法为打破传统溶胶-凝胶的结构随机性提供了有效手段，可构建有序孔道、各向异性结构和空心单元。溶胶浸渍法则将气凝胶网络原位构建于预制多孔骨架（纤维毡、陶瓷骨架）内，是制备复合气凝胶材料的关键策略。干燥工艺是决定气凝胶结构完整性的决定性步骤：超临界干燥是保形性最好的基准方法；冷冻干燥适用于各向异性生物基体系但冰晶可能引入缺陷；常压干燥最具工业化前景，但需通过表面修饰或骨架增强抵抗毛细压力。后处理（热解/碳化、高温烧结）则进一步调控最终性能。 应用场景与未来展望 文章全面梳理了超低热导率气凝胶在四大关键领域的应用。建筑与工业隔热领域，气凝胶已展现出比聚氨酯泡沫和矿棉更优的综合性能，仿生结构设计（如墨鱼骨仿生水泥基气凝胶）实现了超低热导率与高力学强度的协同。电子与储能热管理领域，气凝胶既可作为热安全屏障阻断电池热失控传播，也可作为相变材料载体实现主动热缓冲。极端环境热防护领域，陶瓷基气凝胶通过纤维增强、遮光剂掺杂和多层散射结构，在1200°C以上仍保持结构完整与隔热功能。个人热管理领域，仿北极熊毛发的封装气凝胶纤维和 intrinsically flexible 纳米纤维网络气凝胶，将刚性气凝胶转化为可穿戴的柔性隔热织物。 论文链接： 四大材料体系的结构-性能关系
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