【西交大&原子能科研院联合综述】热导率比空气还低！气凝胶如何成为“隔热之王”？
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背景
工业、建筑、交通等领域热损耗严重，亟需高效隔热材料。传统泡沫、纤维材料热导率接近或高于静态空气（0.026 W/m·K），且难以满足极端环境（高温、低温、柔性）的需求。气凝胶优势：具有超高孔隙率（>90%）、纳米级骨架和孔隙，能同时抑制固相传导、气相传导和辐射传热，实现热导率低于空气的超隔热性能。超低热导率并非仅由高孔隙率决定，而是依赖于多尺度孔结构、骨架连通性、界面工程和工艺兼容性的协同优化。不同应用场景需匹配不同的结构策略，而非一味追求最低热导率。
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成果掠影
近日，西安交通大学杨生春、郭寅周联合中国原子能科学研究院杨洪广团队综述了超低热导率气凝胶的最新进展；填补现有气凝胶综述仅聚焦单一体系（如硅气凝胶）的缺陷，打通传热机理 — 微观结构调控 — 全品类制备 — 多场景工程应用完整逻辑链。阐明了微观结构特征（包括孔径分布、骨架尺寸和取向以及分层孔隙率）如何控制宏观热传输行为，并讨论了共同抑制热传导的潜在物理机制，即声子散射、克努森效应和辐射消光。从结构设计的角度来看，批判性地评估了颗粒-纤维网络、分层各向异性框架和分层多孔系统等策略，作为平衡隔热性能和机械稳定性的代表性方法。在制造方面，系统地回顾了关键技术，特别强调了溶胶-凝胶加工和各种干燥方法；此外，全面调查了这些材料在关键领域的当前部署情况，包括建筑能效、储能、航空航天热防护和个人热管理。最后，确定了关键的科学技术挑战，并提出了未来的研究方向，旨在为超低导热气凝胶的基础研究和实际应用提供信息。研究成果以“Aerogels with ultra-low thermal conductivity: Structural design, processing and applications”为题，发表于《Materials Science & Engineering R》期刊。
气凝胶总导热公式：λtotal=λs（固相）+λg（气相）+λrad（辐射）+λcon（对流）；纳米孔尺寸＜1mm，对流项可完全忽略，超低导热依靠三重传热协同削弱实现：
气凝胶骨架为纳米尺度，大量晶界、界面、缺陷大幅增加声子散射，缩短声子平均自由程；文章汇总纳米薄膜、纳米线等尺寸导热理论模型，介绍玻尔兹曼输运、分子动力学等数值仿真工具；设计思路：细化骨架、增加界面、切断连续固相导热通路。
常温空气分子平均自由程约 70nm，将气凝胶介孔控制在该尺寸以下，气体分子与孔壁碰撞频次远超分子间碰撞，大幅削弱气相能量交换；对比多类气体（氩、CO₂、空气）导热差异，解析克努森数相关解析 / 半经验预测模型。
辐射导热与温度三次方成正比，高温下成为主要漏热途径；通过掺杂 SiC、TiO₂等红外遮光剂、构建多层散射多孔结构，增强红外吸收与反射，降低辐射项；介绍 Rosseland 辐射扩散近似模型适用边界与修正方案。系统划分稳态、瞬态两大类测试方法，明确适用样品、温度区间、优缺点与误差来源：（1）稳态法（基准测试）：防护热板、热流计，适合大块板材，数据精准，但测试周期长；易受样品界面空气间隙干扰；（2）瞬态法（快速检测）：TPS 热线、激光闪射 LFA，适配薄膜、小样品、高温环境；高温测试需喷涂石墨消除辐射干扰；（3）行业现存问题：不同设备、预处理、湿度条件下测试数据偏差极大，文章提出标准化测试规范建议（统一样品尺寸、烘干流程、辐射校正），呼吁建立气凝胶统一性能数据库。附表横向对比岩棉、聚氨酯泡沫、真空板、各类气凝胶导热系数、使用温度区间。
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图文导读
图1、涵盖超低导热性气凝胶的机理、结构、制备和应用的综合框架。图2、气凝胶纳米结构中多峰传热的协同抑制。（a）尽量减少传导。孔径小于气体平均自由程会抑制气体传导，而丰富的固体-固体/气体界面会引起声子散射并降低固体传导（Qcond）。（b）对流和辐射的限制。高曲折性中孔和复杂的骨架网络限制了气体扩散（Qconv）和衰减辐射输运（Qrad）。图3、颗粒、纤维和复合气凝胶的结构设计和性能。（a–d）酚醛气凝胶微球基陶瓷复合材料的微观结构和传热机理[127]。（a，b）实现辐射和传导协同阻断的交联网络设计；（c，d）特征性的“珍珠项链”形态在消融前后保持结构完整性。（e–g）具有分级孔结构的Al2O3-SiO2纳米棒气凝胶[128]。（e，f）利用纳米棒研磨来延长固体传导路径的组装机制；（g）高温下保持微观结构稳定性。图4、3D连续骨架泡沫和蜂窝状气凝胶结构的构建和多功能性能。（a–e）常压干燥的MXene/聚脲复合泡沫[130]。（a）逐步组装过程；（b）微观结构和元素分布证实了闭孔结构和均匀的MXene负载；（c–e）大型、不规则形状和超轻试样，说明工艺可扩展性和形状适应性。（f–h）定向蜂窝状聚酰亚胺气凝胶[134]。（f）化学合成途径；（g）宏观轻质试样；（h）典型蜂窝骨架的SEM。图5、仿生层状和各向异性气凝胶结构的构建以及定向传热屏障的机制。（a–c）丝纳米纤维（SNF）气凝胶的分级处理和热管理[136]。（a）结构解构和重建示意图；（b）显示缠结纳米纤维多孔网络的微观SEM形态；（c）隔热性能的可视化。（d–f）纤维素/聚甲基倍半硅氧烷（CNF/PMSQ）双网层状气凝胶的定向组装[139]。（d，e）真空辅助组装，形成珍珠母般的有序分层结构；（f）各向异性热障机制，其中高曲折路径协同衰减固体、气体和辐射传热。图6、通过协同调节分级孔结构和界面工程设计具有超低导热性的气凝胶。（a–e）HAnws/ANF复合气凝胶[141]。（a，c）双向冷冻组件，形成分层骨架；（b，d）“微观-中观-宏观”分层孔隙率和多个界面协同减少固体、气体和辐射传热贡献（λs、λg和λrad）。（e）通过红外热成像技术验证的各向异性热管理。（f，g）SiO2/PI纳米复合气凝胶的界面增强和原位共凝胶制备[145]。（f）工艺流程和界面结合机制；（g）复合气凝胶与纯PI气凝胶在278℃下的热成像比较。图7、极端高温下氧化物复合气凝胶的结构设计和隔热增强机理。（a–e）通过双模板策略制备各向异性多孔陶瓷气凝胶（SARAs）[150]。（a，c，d）创建对齐蜂窝骨架的双模板组件；（b，e）在300℃下验证了具有改进径向绝缘的各向异性热管理◦C.（f–i）多尺度ZrO2纳米纤维增强Al2O3-SiO2复合气凝胶（ZFASA）[176]。（f，g）将纤维整合到气凝胶基质中；（h）ZrO2纤维增强声子散射和辐射衰减的高温机制（λrad）；（i）ZFASA在1000℃时显示出改进的高温隔热性能。图8、极端环境下的多尺度纤维增强碳基气凝胶结构重塑和抗氧化隔热机制。（a–e）SiCF/PR互穿复合气凝胶[154]。（a，b）具有物理互锁特性的“纤维-陶瓷-有机”三元网络；（c）通过复杂界面对传导（λg，λs）和辐射（λrad）的协同抑制；（d，e）在动态丁烷火焰烧蚀下保持结构完整性。（f–j）“双硅双碳”协同QCF/SPA纳米复合气凝胶[161]。（f–h）分层设计，其中交织的网络使热流路径复杂化，以增强声子散射；（i，j）通过花朵存活率（i）和极端热通量（3.62 MW/m²）下（j）的稳定性证明了热保护的改善。图9、用于极端环境应用的高性能聚合物气凝胶纤维的微观结构设计和热性能。（a–e）通过PVA辅助冷冻的PI气凝胶纤维[194]。（a，b）由聚合物相互作用调节的可调孔结构的演变；（c–e）在较宽的温度范围（-30–300◦c）内具有稳定的隔热性能，由传热机制（e）提供支持。（f–j）通过调节组装纺丝获得PBO气凝胶纤维[199]。（f，j）致密鞘层-多孔芯梯度结构；（g）隔热机制；（h，i）红外热成像和与商业织物的比较。图10、生物基气凝胶的结构调控和功能增强策略。（a–c）通过脱木素处理构建各向异性木材气凝胶[202]。（a）天然木材的宏观和微观各向异性结构；（b）经处理的木材气凝胶的层状骨架和破坏的管腔结构；（c）各向异性传热机制和径向/轴向导热系数比较。（d–f）PA交联阻燃铝气凝胶[19]。（d，e）通过氢键形成致密的层状网络；（f）高温稳定性和隔热性能（200-300°C）优于商用EPS和PU泡沫。图11、代表性超低导热气凝胶家族的面向设计的比较和权衡分析。（a）半定量雷达图，比较了SiO2基、陶瓷氧化物基、碳基、聚合物基和生物基气凝胶在绝缘性能、低密度、机械适用性、工作温度能力、扩大可制造性和成本效益方面的表现。（b）在服务温度能力与扩大制造能力之间进行权衡。标记区域代表机械适用性，颜色梯度代表代表热导率。图12、湿凝胶网络构建和气凝胶衍生物制备的化学/物理组装途径。（a）经典的分子溶胶-凝胶转化机制：分子前体经过水解和缩合形成溶胶，颗粒聚集形成连接的多孔网络，老化和干燥步骤决定了产品类型（气凝胶、干凝胶或冷冻凝胶）[225]。（b）纳米结构胶体单元的受控组装机制：预成型胶体溶液通过不稳定或絮凝诱导，在物理/化学刺激下发生凝胶化[226]。图13、通过硬模板CVD和动态冰模板策略对气凝胶结构和热传输调节进行精确工程。（a–e）双层双曲微结构hBN陶瓷气凝胶[16]。（a，c）具有中空骨架的超轻蜂窝结构；（b，e）“双窗格双曲线”设计迫使热通量沿着高度曲折的路径（红色虚线）流动，以最大限度地提高热阻；（d）真空热导率远低于传统纤维。（f–h）冰晶形态调谐的硅酸铝纳米纤维（ASNF）气凝胶[247]。（f）“单向冷冻”与“碎冰组装”策略，量身定制孔隙各向异性/各向同性；（g）抑制固体（λs）和气体（λg）传导的多模绝缘机制；（h）由微通道取向决定的宏观热扩散行为。图14、通过溶胶浸渍和原位凝胶化制备支架增强气凝胶复合材料及其功能化。（a–e）耐高温红外屏蔽TiO2/莫来石纤维/氧化铝三元复合气凝胶（TFA）[260]。（a，c）“两步浸渍”策略创建了一个强大的三元网络，在1200℃后保持界面完整性◦C治疗；（b，d）传热的协同衰减（λg、λs和λrad），确保对1300的防护得到改善◦C火焰；（e）在高温下保存中孔结构。（f，g）超疏水表面改性的纳米纤维素（CNF）气凝胶[261]。（f）微观结构和高接触角证实了疏水性；（g）通过原位聚硅氧烷涂层实现亲水性到疏水性转变的官能化机制。图15、气凝胶制备过程中溶剂去除过程的压力-温度（P-T）相图。图16、（a） 大气干燥条件下毛细管力和孔壁力示意图；（b）非平衡毛细管力引起的孔壁收缩和/或坍塌；（c）生物活性材料孔隙收缩示意图；（d）超临界流体中的超临界干燥过程；（e）毛细管力大大减弱；（f）具有分级多孔结构的生物活性材料示意图[289]。图17、超低导热性气凝胶的跨域应用。一个多维工程领域，涵盖建筑和工业隔热、电子和储能热管理、极端环境热防护和个人热管理。图18、设计用于建筑节能的下一代高性能气凝胶，其特点是被动辐射热管理、仿生结构加固和各向异性制造。（a–c）鱿鱼骨启发的坚韧阻燃水泥基气凝胶[321]。（a）模仿天然乌贼骨的“Lamella septa”建筑；（b，c）轻质、结构安全的建筑围护结构，具有超低导热性和优异的耐火性。（d–g）“全天候”适应性热管理SiO₂/PVA复合气凝胶[326]。（d，f）双模调节，结合高太阳反射率（~94%）和大气窗口发射率（~98%）进行辐射冷却；（e，g）通过昼夜模拟验证了不同气候下的巨大节能潜力。（h–l）通过低温铸造技术额外制造各向异性BNNS/WPU气凝胶[328]。（h）由移动冷源控制的定向骨架结构；（i–l）有效的热管理，其中对齐的结构有助于平面内扩散，同时阻断平面内的热传递，以防止热点。图19、用于极端工业热环境的抗辐射和结构增强陶瓷气凝胶的设计。（a–d）具有SiC纳米线/莫来石纤维的柔性复合气凝胶（SMCA），具有阻燃冲击性[330]。（a，c）通过静电纺丝和冷冻干燥构建的超轻多孔网络；（b，d）高温韧性和SiC遮光剂的辐射阻断，确保对1300℃的有效绝缘◦C火焰冲击。（e–i）深海白盲虾启发的分级SiC/SiO₂纳米纤维气凝胶（SWSNAs）[331]。（e，g）仿生等级骨架；（f）红外热成像和与商业隔热材料的比较；（h，i）高温下的隔热性能和导热性。图20、高性能电化学储能气凝胶电极材料的多维结构工程与界面调控。（a–c）用于高速超级电容器的自组装模板工程氮掺杂碳气凝胶[342]。（a，b）通过自组装和模板工程形成分级多孔导电网络；（c）离子/电子传输动力学和速率能力大幅提高。（d–f）具有界面伪电容增强的分级MnMoO4/CoMoO4异质结构纳米线[351]。（d）3D核壳纳米结构的原位生长；（e，f）异质界面引起的比电容和能量密度的协同增加。图21、结构功能集成气凝胶，适用于极端服务环境，从高温热防护到自适应红外隐身。（a–d）凯夫拉纳米纤维（KNA）复合薄膜的多波段红外屏蔽和隐身[369]。（a）涉及协同吸收和反射的辐射阻断模型；（b–d）红外成像验证了有效的热特征抑制和背景融合。（e–h）Al2O3碳核壳纳米棒气凝胶（CANA），用于极端高温绝缘和抗烧蚀[156]。（e）多模态传热抑制机制；（f，g）极端绝缘，保护人体皮肤和花朵免受1300◦C火焰，在1200℃下保持低导热性◦C.（i，j）相变调节MXene/RGO（MGP）智能自适应热伪装系统[370]。（i）通过PCM气凝胶协同作用进行动态热管理；（j）通过将表面温度与背衬进行匹配，证明人体热特征的实时“不可见性”图22、针对航空航天条件的差异化气凝胶结构设计，将刚性抗烧蚀性与柔性深空环境耐受性相结合。（a–e）用于高超音速气动热加热条件的刚性层状陶瓷气凝胶（LCA）[196]。（a，c）通过定向冷冻干燥构建的“纤维陶瓷闭孔”三元体系；（d，e）验证航天器鼻锥热保护，有效阻断1200℃以下的热传递◦C火焰冲击。（f–j）用于深空探索和宇航员保护的超柔性混合气凝胶（SCQ）[13]。（f，g）设计有互穿网络的Nacre状有序分层结构；（h，j）与商用聚氨酯泡沫和传统多层隔热材料相比，即使在真空和热循环条件下，隔热性能也有所提高；（i）可穿戴宇航员防护的概念演示。图23、仿生且本质灵活的气凝胶结构设计及其在人体热管理中的应用性能。（a–d）以北极熊皮毛为灵感的“芯壳”封装气凝胶纤维（EAF）及其在极端保冷中的应用[378]。（a，b）模仿北极熊毛发的“多孔核-致密壳”结构，协同抑制传热；（c，d）-20℃时保温性能得到改善◦C环境，优于商业羽绒服和羊毛衫。（e–i）本征高弹性二氧化硅纳米纤维（SNF）网络气凝胶和极端高温防护[379]。（e，f）具有柔性分子键的缠结纳米纤维网络，确保超弹性；（g–i）通过将安全皮肤温度保持在>900℃以下来证明极端隔热◦C火焰冲击，突出了消防应用的潜力。图24、下一代超低导热气凝胶的战略发展路线图：将基础结构控制与工程应用联系起来。
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