氣凝膠復合材料的研究進展

孫希靜

（內江師范學院，四川 內江 641000）

氣凝膠材料是一種納米多孔網絡結構的輕質固體材料，具有孔隙率高、比表面積大、密度超低、熱導系數低等特質。氣凝膠的問世可追溯到1931年，斯坦福大學的Kistler[1]采用超臨界干燥技術首次成功制得二氧化硅氣凝膠。從氣凝膠發現至今已將近90年歷史。氣凝膠具備的獨特性質使其成為了材料領域的研究熱點。目前氣凝膠的類型很多，研究廣泛的氣凝膠主要包括無機氣凝膠材料（如SiO2氣凝膠、Al2O3氣凝膠、碳系氣凝膠）、高分子氣凝膠材料（如間苯二酚-甲醛高分子氣凝膠）、有機-無機復合氣凝膠。不同種類的氣凝膠材料具有不同的性能優勢，如硅系氣凝膠密度低且阻燃性較好，碳系氣凝膠導電性較好，高分子氣凝膠在力學性能方面具有優勢等[2]。氣凝膠材料用途廣泛，在催化、電子器件、保溫隔熱和探測器等領域具有廣闊的應用前景。本文主要綜述了不同氣凝膠材料包括高分子雜化氣凝膠、碳氣凝膠等氣凝膠的制備及在熱電領域的研究，并對氣凝膠材料未來的發展作了展望。

1 氣凝膠復合材料

1.1 高分子氣凝膠

自從20世紀80年代末，間苯二酚-甲醛高分子氣凝膠成功制備以來，高分子氣凝膠材料的研究引起研究學者的廣泛關注。與無機氣凝膠材料相比，高分子氣凝膠材料種類多，原料來源廣，結構性能好。高分子氣凝膠材料的研究主要包括酚醛 (RF)氣凝膠、纖維素氣凝膠、聚酰亞胺 (PI)氣凝膠、聚乙烯醇 (PVA)氣凝膠、聚苯胺 (PA)氣凝膠等[3]。其中，利用高分子材料與無機導電材料復合制備的高分子導電氣凝膠能夠充分利用二者的優點，使材料的性能得到提高。

Sun等[4]充分利用了高分子材料的低熱導率和無機納米材料的高導電率，引入高導電率的Ag納米片來制備Ag摻雜MWCNTs-RF復合導電氣凝膠。實驗發現，Ag摻雜氣凝膠的電導率有較大提高，最大可高達1061S/m，比表面積較大 (～200 m2·g-1)，其熱導率也保持較低水平 (0.06～0.095 W·m-1·K1)，這主要因為復合氣凝膠具有的獨特三維網絡孔洞結構，可以有效地散射聲子降低晶格熱導率。除此之外，Ag的添加使Seebeck系數也同步增大，氣凝膠的ZT值有了較大的改善，當Ag含量為42.5%時，復合氣凝膠材料的ZT值最大，室溫條件下ZT值可達到0.011。隨后，Sun等以導電高分子聚3,4-二氧乙撐噻吩:聚苯乙烯磺酸 (PEDOT:PSS)、MWCNTs、Ag納米片為原料，主要利用PEDOT:PSS良好的導電性能和穩定性，摻雜高導電率的MWCNTs和Ag制備了低導熱的復合氣凝膠，并考察材料結構與熱電性能的關系。該復合氣凝膠材料非常輕，且具備氣凝膠特殊的三維網絡結構，比表面積可達到228m2·g-1，三維網絡結構中充滿空氣有利于聲子散射，降低熱導率，室溫下所得復合氣凝膠材料的熱導率可低至0.06W·m-1·K-1。在保持熱導率較低的同時，MWCNTs和Ag納米片的添加使復合氣凝膠材料的電導率和Seebeck系數能夠同時增加，在添加33.32%（質量分數）Ag納米片時復合氣凝膠熱電性能最佳，但是ZT值較低 (7.56×10-3)，不能用于實際生產。

以上實驗研究表明，材料的能量轉是由于其獨特的性質。通過設計氣凝膠獨特的結構實現了提高導電性能和Seebeeck系數，同時降低導熱系數的可能。克服了這三個熱電參數不可獨立調控的難題。為其他實驗研究奠定了基礎。隨著科學研究的不斷深入，研究者發現熱解高分子氣凝膠制成的碳氣凝膠也可以提高導電氣凝膠材料的熱電性能。

1.2 碳氣凝膠材料

碳是自然界中分布最廣泛的元素之一，人類的生產發展離不開碳材料。常見的碳材料包括石墨烯、碳納米管、活性炭等。碳氣凝膠是一種應用廣泛的無機氣凝膠材料，具有較低的熱導率，在熱電材料、隔熱材料領域具有良好的發展前景。

Zhao等[5]以間苯二酚、甲醛、MWCNTs為原料，首先制備MWCNTs-RF復合水凝膠，再通過冷凍干燥技術獲得MWCNTs-RF復合氣凝膠，最后在真空條件下熱解，使有機集團分解得到碳氣凝膠。制備過程簡單，操作方便。MWCNTs與酚醛骨架形成緊密的孔洞骨架結構，有利于降低熱導率。與純相RF氣凝膠比較，碳化RF氣凝膠的熱電優值（ZT值） 提高了將近兩個數量級。該導電氣凝膠的導電率和ZT值與無機熱電材料相比都低得多，但制備方法成本低、綠色無污染，值得推廣。Zhao等運用Hummers法將石墨烯氧化成氧化石墨烯（GO），然后將其與多壁碳納米管（MWCNTs）超聲混合，采用冷凍干燥的方法成功制備納米復合氣凝膠。通過AFM、XRD、SEM等測試方法對樣品進行研究發現，復合氣凝膠呈現緊密的3D網絡結構，可以促進電子的運輸，使復合氣凝膠材料電導率提高。與此同時，由于能量過濾作用，復合氣凝膠室溫下的Seebeck 系數從 45μV·K-1增加到 70μV·K-1。此外，其表觀密度約為24kg·m3，氣凝膠擁有超低熱導率 (～0.056 W·m-1·K-1)，可應用于超輕質隔熱材料的開發利用[6]。

碳氣凝膠除具備良好的導電性能外，其來源也十分廣泛。研究發現碳化植物相關器官如葉片也可以制備碳氣凝膠，該類氣凝膠綠色環保無污染且性能優異。隨著時代的發展和科技的進步，人類社會生產與發展對新型能源材料的需求越來越大，氣凝膠的設計與研究將會推動能源材料的發展與應用。

2 結語

綜上所述，氣凝膠材料具有獨特的多孔結構，其熱導率低，用途廣泛。高分子材料與高導電率的無機納米材料復合可制備熱電性能良好的導電氣凝膠，將其高溫裂解所得到的碳氣凝膠材料可進一步熱電性能，因性能較差難以用于實際應用。氣凝膠材料來源廣泛，制備工藝簡單，利用其特殊的性質，相信在吸附材料、超輕質隔熱材料、高熱電轉化效率的熱電材料方面的開發利用具有良好的競爭力，必將進一步推動輕質材料的發展[6]。