气凝胶

气凝胶（aerogel）它是一种典型的纳米多孔材料，由胶体颗粒或聚合物相互聚集而成，是以气体为分散介质的高度分散的三维多孔固体材料。气凝胶大多是半透明的，非常轻，也称为“固态烟”或“冷冻烟雾”其孔径为1 ~ 1 ~ 100n m，孔隙率为80％～99.8％由于其纳米孔径，气凝胶具有微弱的廷德尔效应，无色二氧化硅气凝胶呈浅蓝色。

气凝胶发明于1931年美国加州太平洋大学的amuel   tephen   Kitler利用超临界干燥技术制备了高比表面积的气凝胶、具有低堆积密度和低热导率的多孔无定形固体材料被称为气凝胶。

气凝胶根据其组成性质可分为无机化合物、有机、无机-有机系列；根据氧化物的数量，它分为单元氧化物气凝胶、金属-氧化物气凝胶和多氧化物气凝胶。气凝胶的制备主要包括湿凝胶制备和干燥，湿凝胶制备过程通常采用溶胶-凝胶法；干燥方法包括超临界干燥、亚临界干燥、常压干燥法和冷冻干燥法。

气凝胶具有广泛的应用例如，气凝胶因其优异的隔热性能可用于制作隔热服、隔热毡、防热瓦等；气凝胶可用于化工和环保领域的污水处理；在新能源领域，气凝胶可以用来储存氢气；在空间科学领域，气凝胶可以捕获太空中的高速粒子；在食品工业领域，气凝胶可用于食品包装和储存；在农业领域，气凝胶可以吸附并杀死昆虫的脂质层，从而达到保护食物的目的。

气凝胶最显著的特征之一是其低密度普通二氧化硅气凝胶的密度约为0.2克/立方厘米，只有水密度的1/5。这使得气凝胶成为世界上最轻的固体之一。此外，气凝胶具有优异的隔热性能，其传热系数远小于静止空气，通常只有静止空气的一半左右，约为0.015W/m·K)除了隔热，气凝胶还具有良好的热稳定性。不同系列的气凝胶材料可以承受600~1000摄氏度的最高温度，并具有超强的疏水性。气凝胶的多孔结构使其具有特别大的比表面积，科学家称之为气凝胶“超级海绵”它是吸附水中污染物的理想材料，可以吸出水和汞，是应对生态灾害的绝佳材料；气凝胶还具有低声速，声阻抗范围为103 ~ 107千克至107千克/m2·)气凝胶的种类繁多，性质各异，但一般认为它们具有以下特征：

力学特性

气凝胶是气体分散在固体中形成的干凝胶，在纳米尺度上具有均匀的结构，因此其力学性能不仅与材料本身有关，还受到多种因素的影响，比如孔隙率、胶体密度等。孔隙率越大，固体骨架承受的应力越大，气凝胶的强度和有效弹性模量越低、体积模量随着孔隙率的变化而变化；气凝胶的密度越高，固体骨架受到的应力越小，因此其强度越高，反之亦然。气凝胶的超高孔隙率使其在机械性能方面具有高脆性和脆性特别是对于许多无机气凝胶来说，气凝胶脆弱的力学性能是阻碍其应用的关键因素。

热学特性

气凝胶是目前所有固体和多孔材料中导热系数最低的材料。它具有高孔隙率，其细长的纳米多孔网络结构增加了固体传热路径，小于100nm的孔径小于空气分子的平均自由程，限制了内部空气运动，导致其对固体传热的有效限制、气相传热和热对流。无论在高温还是常温下，它都具有接近静止空气的导热系数，是目前隔热性能最好的固体材料。除了在室温下具有优异的隔热性能外， 气凝胶还在超高温隔热方面显示出优势。以苯胺和丙酮为原料，采用原位水生成法制备了耐温1300℃的Al2O3气凝胶，采用化学液相沉积技术制备了耐温1335～6000℃的ZrO2气凝胶和TiO2气凝胶。这些超耐高温金属氧化物气凝胶有望在未来用于高速飞行器的高温催化和隔热材料领域。

声学特性

气凝胶独特的纳米孔、高孔隙率、微小的纳米胶体颗粒和连续的网络结构使其对声波传播速度的阻碍非常明显；同时气凝胶的声阻抗Z与密度ρ成正比，因此可以通过控制不同的密度ρ来控制不同的声阻抗Z。气凝胶表现出低声速、声阻抗的可变范围很大。此外，凝胶的多孔网络结构使其具有超低密度， 使声波在气凝胶中的传播速度比一般固体物质慢得多。它是超声探测器的理想声阻材料用于超声发生器和检测器的压电陶瓷的声阻为1.5×107kg/m²·)空气的声阻只有400公斤/m²·)此外，声音在 气凝胶中的传播速度也与其弹性模量有关，因此可以通过测量声音的传播速度来研究 气凝胶的相关弹性性质。

光学特性

在众多种类的气凝胶中， 人对二氧化硅气凝胶的光学性质研究最深。一般来说，对于一定密度的iO2 2气凝胶， 的颗粒或团簇尺寸越小， 的光学透明性越好。二氧化硅气凝胶对红外和可见光的比消光系数之比可以达到100以上，同时其折射率可以接近1。这些独特的光学性能可以使二氧化硅气凝胶有效地透射阳光并阻止热红外辐射，因此 可以用作太阳能集热系统中的透明隔热材料、建筑物智能窗等。

导电性能

气凝胶具有独特的电学性能，不仅无机而且具有优异的绝缘性能、有机气凝胶和具有强导电性的碳气凝胶。同时，一些金属氧化物气凝胶表现出优越的超导性、热电性和压电性。其中，碳气凝胶因其优异的导电性和巨大的孔隙率可用于海水淡化领域此外，碳气凝胶还可以制造高效率高能量的可充电电池，这种电池具有高功率密度、具有高能量密度的双层电化学电容器的最大比电容为400F/g。碳气凝胶中的阴阳离子还可以在后期 反接外接电源进行脱附，实现循环利用。

介电性能

气凝胶材料由于其超高的孔隙率而具有许多独特的介电性能，例如超低的介电常数、超高的介电强度、在微波频率范围内具有极低的介电损耗等其中 是有机物、无机气凝胶具有非常低的介电常数ε，通常为1 ltε lt2，ε具有连续可调介电强度高绝缘性能优异的特点，其热膨胀系数与硅材料相似，因此热应力很小，与聚酰亚胺相比具有良好的高温稳定性。因此，将集成电路的衬底材料改变为气凝胶膜，可以将操作速度提高三倍。这些独特的介电性能使气凝胶材料在微电子领域具有巨大的应用潜力。

气凝胶是一种新型多孔材料，具有巨大的比表面积和孔隙率，其种类非常丰富，几乎涵盖了所有材料体系。根据化学成分，气凝胶可分为有机气凝胶、无机气凝胶和复合气凝胶等。其中，无机气凝胶是指基体为无机物，如单元氧化物二氧化硅、氧化铝、氧化镁碳基和硫基等；有机气凝胶意味着基质是有机的，例如有机聚合物间苯二甲酸-甲醛、三聚氰胺-甲醛和天然聚合物纤维素气凝胶；复合气凝胶由两种或两种以上具有不同化学和物理性质的材料制成，例如无机材料/有机复合气凝胶、无机/无机复合气凝胶。

此外，气凝胶还可以根据其主要成分分为硅系列、碳系、硫系、金属氧化物体系和金属体系也可以分为单组分气凝胶（例如二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶等）和多组分气凝胶（二氧化硅/氧化肽气凝胶、有机/无机复合气凝胶等）这些不同类型的气凝胶各有特点，在不同领域有着广泛的应用。

间苯二

-甲醛气凝胶

间苯二-甲醛(RF)气凝胶是一种多孔有机团簇、无序、一种典型的具有纳米连续网络结构的纳米非晶态固体材料，一种由有机团簇组成的多孔材料、无序、具有纳米连续网络结构的典型纳米非晶固体材料。RF的导热系数极低，约为0.012W/m·K)，比二氧化硅更硬、更强，可用于辐射传热和隔热领域。

三聚氰胺

-甲醛气凝胶

Pekala使用三聚氰胺(M)甲醛(F)合成了具有纳米级连续三维网格结构的无色透明MF气凝胶、高比表面积。与RF气凝胶相比，MF气凝胶还具有更高的比表面积和孔隙率。其化学结构稳定；不发生氧化反应和变色；该体系的反应性单体官能度高，并具有良好的机械性能；它可以作为模板来修饰其他气凝胶。同时，MF气凝胶体系也有其不足之处：普通方法制备的MF气凝胶凝胶化时间长；与其他气凝胶相比，得到的气凝胶具有更高的密度；虽然机械强度高，但初始性能差，不利于机械加工。MF气凝胶有望在惯性约束聚变实验中推广应用。

聚氨酯

气凝胶

聚氨酯气凝胶(polyurethane)通过异氰酸酯和多元醇之间的化学反应可以获得不同性能的聚氨酯块体材料，因此它具有分子设计性。PU气凝胶具有很大的孔隙率，其骨架由小尺寸颗粒聚集而成，是一种丝状的强交联聚集体。PU气凝胶的优势主要体现在隔热方面、隔音降噪、减震和吸能等，可以应用到飞机上、城市地铁、高速铁路和其他轨道交通系统建筑工地、工厂、娱乐场所等。

纤维素

气凝胶

纤维素及其衍生的气凝胶重量轻、它具有比表面积大孔隙率高的特点，可以与相邻细胞相互作用，调节各种细胞功能(例如附着、增殖、迁移和分化)，广泛用于伤口、神经和骨组织修复等领域。纤维素骨架结构由随机连接的纳米纤维束组成，因此没有光学透明性和弹性。此外，纳米纤维素的提取过程需要消耗大量的化学试剂和能源，合成成本高，极大地限制了纳米纤维素气凝胶产业的发展。纤维素气凝胶材料是一种来源广泛的绿色可再生材料、可生物降解和优良的生物相容性等，因此催化剂被装载、医用生物材料、吸音隔热材料、过滤材料和模板材料具有巨大的潜在应用价值。

氧化物

气凝胶

高温区氧化物气凝胶材料（＞1000℃）容易发生颗粒的晶体转变和烧结，其耐温性相对较差，但处于中高温区（＜1000℃）具有低热导率。氧化物气凝胶材料主要包括 SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2、V2O5等。

SiO2

气凝胶

二氧化硅气凝胶是目前隔热领域研究最多最成熟的耐高温气凝胶，其孔隙率高达80%~99.8%孔的典型尺寸为1 ~ 100纳米，比表面积为 200 ~ 1000平方米/g，密度可低至3kg/M3，室温下的热导率可以低至12mW/m·K)二氧化硅气凝胶通常与 红外遮光剂和增强剂复合，以提高二氧化硅气凝胶的隔热性能和力学性能，使其既具有实用价值，又具有良好的隔热性能和力学性能，主要应用于航空航天领域、军事、电子、建筑、家用电器和工业管道领域的隔热。常用的红外防晒剂是碳化硅、TiO2（金红石型和锐钛矿型）炭黑、六钛酸钾等；常用的增强材料是陶瓷纤维、无碱超细玻璃纤维、多晶莫来石纤维、硅酸铝纤维、氧化锆纤维等。

ZrO2

气凝胶

与SiO2气凝胶相比，ZrO2气凝胶具有较低的高温热导率，更适合高温隔热应用，作为高温隔热材料具有巨大的应用潜力。ZrO2 2气凝胶的孔径小于空气分子的平均自由程，气凝胶中没有空气对流，因此孔隙率极高，固体的体积比很低，使得气凝胶的热导率很低。目前，关于氧化锆气凝胶在隔热领域应用的报道很少，研究人员主要致力于氧化锆气凝胶制备技术的研究。

Al2O3

气凝胶

氧化铝气凝胶材料具有纳米多孔结构、使其重量更轻、较小的体积达到同等的隔热效果，同时具有较高的孔隙率、高比表面积和开放织构结构在催化剂和催化载体方面具有潜在的应用价值。氧化铝气凝胶还可用作高压绝缘材料高速或超高速集成电路的基板材料真空电极和超级电容器的绝缘介质。

V2O5

气凝胶

V2O5气凝胶兼具V2O5材料高理论比电容的电学特性和气凝胶大比表面积的结构特性，通常用于锂离子电池正极材料和超级电容器电极材料的研究。

与其他类型的湿凝胶不同，氧化湿凝胶可以通过有机醇盐的水解和缩聚来制备，也可以通过熔融水法来制备、双氧水法、离子交换法  等。氧化后的湿凝胶经过一定的干燥工艺处理后（例如CO2超临界干燥或冷冻干燥）从而获得氧化气凝胶。

虽然V2O5是由“气凝胶态”V2O5作为电极材料的电化学性能可以得到显著提高，但V2O5本身的电导率较低、物理性能如差的离子扩散仍然是限制其作为电极材料发展的重要因素。目前，V2O5气凝胶与一些导电材料混合在一起（例如碳材料、导电聚合物、金属）复合是提高其导电性的最常用方法。例如，吴映洁等人通过将氧化溶胶与酸化的多壁碳纳米管混合进行自组装，成功制备了V2O5多壁碳纳米管复合气凝胶该复合气凝胶具有V2O5的高电容和一维纳米碳材料的高导电性的特点。作为超级电容器的电极材料，它表现出优异的电学和电化学性能。

复合气凝胶

无机和有机气凝胶各有优缺点为了克服单一气凝胶的缺点，越来越多的改性方法集中在复合气凝胶的研究上。复合气凝胶主要分为：无机/无机复合气凝胶、有机/无机复合气凝胶纤维复合气凝胶等。例如，通过定向冷冻干燥制备了复合SiC纳米线的各向异性SiO2 2气凝胶，显示出优异的强度和热稳定性；磷酸化聚乙烯醇/石墨烯气凝胶被用作聚乙二醇的载体，以开发具有高热稳定性的相变材料。中国科学院苏州纳米技术研究所张课题组研制的凯夫拉纤维气凝胶薄膜通过与相变材料复合成功实现了红外隐身。

无机复合

气凝胶

Al2O3/二氧化硅复合气凝胶

Al2O3气凝胶可以承受1000℃左右的高温，但是比表面积比较小，最大只有800㎡/γ发生在1000～1200℃—Al2O3向α—al2o 3的晶型转变导致其内部孔结构的坍塌和高温性能的恶化。向Al2O3凝胶中加入SiO2不仅可以增加α—Al2O3的结晶转变温度，提高了Al2O3／二氧化硅复合气凝胶的热稳定性可以弥补二氧化硅低温的缺陷因此，Al2O3／二氧化硅气凝胶是一种理想的高温隔热材料。

TiO2/二氧化硅复合气凝胶

将纳米二氧化钛制备成二氧化钛可有效提高二氧化钛的催化能力，但二氧化钛气凝胶的制备条件复杂，不利于实际应用。将二氧化钛与二氧化硅混合制备二氧化钛／SiO2复合气凝胶可以提高气凝胶网络的结构强度，充分利用气凝胶的多孔结构和高吸附性，增加TiO 2的比表面积，增强TiO 2的光催化性能，并有利于催化剂的回收利用。

有机复合

气凝胶

聚合物增强二氧化硅气凝胶

聚合物增强二氧化硅气凝胶通过共聚或接枝将带有活性基团的聚合物引入气凝胶材料的骨架或孔中这种方法不仅可以引入新的活性中心，还可以通过聚合物和SiO 2颗粒的有机交联来增强气凝胶的骨架。通过聚合反应在二氧化硅纳米粒子表面包覆一层聚合物有利于改善改性纳米粒子与聚合物的相容性，提高二者的结合力，是提高气凝胶机械强度的主要手段。聚合物交联增强二氧化硅气凝胶可以有效利用有机和无机材料各自的性能，从而使气凝胶的功能多样化并提高其机械强度。

壳聚糖复合

气凝胶

因为在壳聚糖的结构中—由于NH2的存在，壳聚糖可以与所有的金属离子 3563356结合，其在全分子吸附中的应用尤为广泛。但壳聚糖溶于酸，机械强度差，限制了其应用范围。纤维素与壳聚糖复合制备壳聚糖-纤维素复合气凝胶既保留了壳聚糖的吸附性能，又赋予了材料一定的强度。

碳气凝胶

碳气凝胶（carbon aerogel凝胶凝胶）是一种轻质、多孔、非晶态、块状纳米碳材料具有连续的三维网络结构，可以在纳米尺度上进行控制和定制。碳气凝胶于1989年由美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的佩卡拉首次制备，只是它具有一般气凝胶的特征，如形状、密度、比表面积和网络结构连续可调，还具有高导电性和高水热稳定性，大大拓展了气凝胶的应用领域。

有两种主要类型的碳气凝胶：一种是有机气凝胶高温破裂后形成的普通碳气凝胶；另一种是由碳纳米管和石墨烯组成的先进碳气凝胶。碳气凝胶具有几个不受欢迎的特性，尤其是其具有致密和优异导电性的超低机械弹性（可压缩弹）导电性和耐温性。碳气凝胶 s骨架结构不仅本身是一种优良的导电通道，而且还为各种和包覆的其他活性材料提供了一种优良的载体，使其在能量方面、催化等领域具有广阔的应用潜力。碳纳米管具有优异的电学性能、力、 光学和热学性质，三维碳纳米管气凝胶具有低密度的互连多孔结构、高的孔隙率、大比表面积和高效电子/应用于微电子学的声子传输通道、储能器件、导热材料清洁能源和环境治理等。

气凝胶是一种纳米多孔网络结构材料，具有高比表面积和高孔隙率的特点。为了研究和表征气凝胶的结构，科学家们使用了多种实验技术，包括透射电子显微镜、扫描电镜、吸附-解吸法、小角X射线散射、小角中子散射、核磁共振和低频拉曼散射。透射电子显微镜和扫描电子显微镜可以用来观察气凝胶的结构特征，如颗粒形状和排列吸附-解吸法可测量比表面、孔隙率和骨架密度，而小角X射线散射和小角中子散射可以测量气凝胶的胶体颗粒或网络的分布和骨架密度，从而获得气凝胶结构的特殊性质，如分形结构。此外，核磁共振和低频拉曼散射可以在分子水平上检测气凝胶的结构，并可用于研究构成气凝胶网络结构的颗粒的平均尺寸。

目前气凝胶的孔隙率为80％～99.8％典型的孔径在1 ~ 100纳米之间，比表面积可达1000平方米/g，以胶粒为基本单位的直径约为1 ~ 20 nm。以SiO2 2气凝胶为例，其典型结构如上图所示。密度在0.01g/cm3以下的超低密度二氧化硅气凝胶具有500～1000 m2的比表面积/g，孔径约为15nm，对应的胶体粒子线性度约为1 ~ 3 nm。碳气凝胶的比表面积高达400~1000m2/g，其孔径一般小于50纳米，为网状胶体颗粒或聚合物链的特征尺度（直径）为10nm。

分形

气凝胶具有分形几何形状，这意味着它具有不规则的几何形状。对于气凝胶的体相，在凝胶网络上任意点周围半径为R的凝胶球的质量M和R之间存在统计函数关系。对于气凝胶这种表面分形物体，其表面积A与某一分维d之间存在一定的规律。事实上，气凝胶只在有限的半径范围内表现出分形特征，一般在1~50nm的中间范围内。在宏观尺度上，气凝胶显示出均匀的密度。气凝胶的分形维数可以通过X射线小角散射实验和分子吸附实验来验证。波罗德 小角散射强度与波常数之间服从s定律，吸附质的吸附质量与表面分形维数也有一定的关系。此外，孔的体积和孔径之间存在一定的关系。

不同尺度下气凝胶的表观密度不同当分析尺度大于关联度时，气凝胶被认为是均匀的，密度是恒定的。但当分析尺度小于孔径时，实测密度大于宏观密度，当分析尺度进一步减小时，实测密度将接近气凝胶的网络骨架密度。实验还表明气凝胶的密度具有尺度不变性，即密度随着分析尺度的增加而减小，并具有自相似结构。气凝胶的分形结构动力学研究表明，在不同尺度下存在三个不同的激发区域，分别对应于声子、分形和粒子模式的激发。改变气凝胶的制备条件可以改变其关联长度，因此气凝胶是研究分形结构及其动力学行为的最佳材料之一。

气凝胶的制备过程主要分为两步：首先是采用溶胶-凝胶法制备湿凝胶。第二步是通过不同的干燥方法用空气替换湿凝胶中的溶剂和水。

生产流程

溶胶-凝胶过程

采用溶胶-凝胶法制备湿凝胶的过程如下图A所示。首先，将前体与表面活性剂混合、催化剂按一定比例混合形成溶胶，溶胶经过缩聚反应，老化后生成湿凝胶气凝胶材料的功能主要由其结构决定，因此被认为是一种结构可控的材料。为了获得所需的气凝胶骨架网络结构，我们可以调整前驱体的类型、表面活性剂的量、催化剂浓度、体系温度、PH等条件因子。在制备湿凝胶的过程中，无论使用的前驱体是无机盐还是金属醇盐，主要的反应步骤是将前驱体溶解在溶剂中（水或有机溶剂）形成均匀的溶液，溶质和溶剂之间的水解或醇解反应的产物聚集成约1纳米的颗粒并形成溶胶，溶胶被蒸发、干燥转变为凝胶。

干燥过程

在气凝胶的制备过程中，湿凝胶的干燥方法主要包括超临界干燥（超临界萃取法），亚临界干燥法、常压干燥法和冷冻干燥法。

气凝胶干燥中最早的是超临界干燥、最成熟、最有效的方法之一。所谓超临界状态是指气态和液态物质共存的临界状态。在这种状态下，液体的密度与其饱和蒸汽压相同，相界面消失。超临界流体是当它超过物质的临界温度和临界压力时形成的高压、高密度物相。在超临界干燥过程中，当凝胶中的有机溶剂或水被加热到超过临界温度和临界压力时，液气界面消失，凝胶中的毛细作用力不再存在。超临界干燥可分为高温和低温。常用的干燥介质包括高温超临界流体和低温超临界流体。甲醇等醇类溶剂通常用于高温超临界流体、乙醇、异丙醇等，而二氧化碳用作低温超临界流体。二氧化碳的超临界干燥避免了溶剂的更换，进一步缩短了干燥时间，大大降低了运行成本。值得注意的是，超临界干燥的成功与所选干燥介质的临界温度有关、压力和干燥速度密切相关。

气凝胶

由于气凝胶的超临界干燥过程是在超高压和高温条件下进行的，对设备和技术的要求高，导致制备成本高，难以推广大规模工业化应用。常压干燥法是在常压和低温条件下不断强化凝胶网络的骨架结构，同时用表面张力较小的溶剂取代凝胶网络骨架中的原始液体，以有效减少毛细管力对凝胶网络 骨架结构的破坏，从而达到提高产品性能的目的。此外，由于常压干燥过程中的温度和压力较低，设备的安全性和可靠性相对较好，易于实现连续工业化生产。

除了超临界干燥，常压干燥也逐渐受到研究者的青睐。与超临界干燥相比，常压干燥具有操作简单的优点、成本低，但研究尚不成熟。在常压下，通常需要对凝胶进行不同的处理，以尽量减少凝胶的收缩和开裂。

冷冻干燥是通过低温混合气体来实现的/液体界面转化为能量较低的气体/固界面实现的。凝胶间隙中的溶剂被冻结成固态，然后通过升华除去溶剂，从而获得气凝胶。然而，冷冻干燥的成功率较低，并且经常获得粉末或形成粗糙的孔，这主要是由冷冻过程中溶剂晶体的生长引起的。此外，晶体在孔中的生长也会破坏凝胶网络，最终只能获得粉末气凝胶而不是块状气凝胶。

制备

无机气凝胶的制备

无机气凝胶的制备一般使用金属有机化合物（还有少量的非金属有机物如硅和硼）使用溶胶作为原材料-凝胶法，通过超临界干燥获得多孔、具有无序纳米尺度连续晶格结构的低密度非晶固体材料。以二氧化硅气凝胶为例，其原理是利用硅源（正硅酸乙酯、工业硅酸盐）作为前驱体，加入一定量的表面活性剂，在酸碱催化剂的作用下，通过水解和缩聚反应生成具有网络结构的凝胶，然后通过不同的温度调节对凝胶进行老化、改性、置换干燥后得到二氧化硅气凝胶。

有机气凝胶的制备

与无机气凝胶类似，有机气凝胶是通过将有机单体或低聚物与溶剂混合而制备的、催化剂等充分混合反应后得到具有链状或无序树枝状三维空间网络骨架结构的凝胶，经溶剂置换和超临界干燥后得到有机气凝胶。以MF气凝胶的制备过程为例，将三聚氰胺与甲醛混合、将去离子水和催化剂按一定比例充分混合，加热至三聚氰胺完全溶解，静置冷却，加入盐酸调节pH值，加热反应得到MF湿凝胶，然后通过溶剂置换和超临界干燥得到具有三维网络骨架结构的MF气凝胶。在MF湿凝胶的制备中，甲醛与三聚氰胺中的氨基形成三个甲基，在酸性条件下进一步发生缩合反应，生成二氨基亚甲基桥和二氨基亚甲基桥，最后通过交联反应形成三维空间网络结构

隔热材料

气凝胶的密度很低、由于其高孔隙率和优异的隔热性能，被称为目前隔热性能最好的固体材料之一。其中，二氧化硅气凝胶是最常见的气凝胶材料之一。在室温下，二氧化硅气凝胶的导热系数仅为0.013~0.016W/m·K)与静态空气的导热系数0.024W/m·K)要低。在高温下，二氧化硅气凝胶的热导率仅为0.043W/m·K)，具有良好的隔热性能。因此，二氧化硅气凝胶被广泛应用于航天器的热防护系统中。作为冰箱的隔热材料，冰箱等低温隔热系统中常用的隔热材料是用氟利昂开发的聚氨酯泡沫然而，由于这种物质含有大量氟利昂气体，其泄漏会破坏大气臭氧层，导致温室效应，并对人类的生存环境造成危害，因此正在被淘汰二氧化硅气凝胶是一种可能的候选材料，添加适量的红外吸收剂将有效降低辐射热传导，因此具有极低热导率的掺杂气凝胶可用作冰箱等低温系统的隔热材料。此外，二氧化硅气凝胶还可用于建筑保温、衣物保暖、冰箱隔热、管道保温和太阳能集热器等。此外，聚酰亚胺气凝胶是另一种常见的气凝胶材料。聚酰亚胺气凝胶被用作航天器的热保护系统材料。

能源环保

气凝胶广泛应用于环境保护领域，尤其是污水处理和油水分离。气凝胶作为一种多孔材料，具有优异的吸附性能，可用于去除废水中的有毒有机污染物。聚间苯二胺（PmPDA）气凝胶对多种有机溶剂具有良好的吸附效果，可循环使用10次以上。石墨烯气凝胶具有优异的疏水性能，可以有效吸附和分离水中的油或有机溶剂。此外，碳气凝胶还可以作为光催化剂载体，提高水溶液中染料的降解率，避免二次污染，为污水净化提供新的解决方案。由于分子链中多羟基的存在，纤维素气凝胶具有超亲水性。气凝胶的疏水性能可以通过修饰其表面的疏水基团或颗粒来改善。疏水性细菌纤维素（BC）气凝胶具有良好的油水分离能力，可用作可回收的吸油材料来清除海洋中的溢油。气凝胶可以吸附空气中的H2S、SO2、NO、CO等有害气体还可以去除空气中的有机物，从而达到净化空气的目的。

电化学和电子

气凝胶广泛应用于电化学和电子学领域。碳基气凝胶具有高比表面积、均一纳米结构、强耐腐蚀性、低电阻率和宽密度范围的优点被认为是制造高效率和高能量电容器的理想材料。石墨烯气凝胶及其复合材料具有较高的电容，三维贯通微结构可以提供较高的接触面积，促进电子和电解质的传输，因此被广泛应用于超级电容器的构建。此外，通过将气凝胶浸泡在金属化合物的水溶液中，可以通过化学或电化学还原原位生成附着在纤维素骨架上的无机纳米粒子，或者将其浸泡在含有导电材料的溶液中，可以获得带电的产物、磁性功能复合纤维素气凝胶，纳米尺寸的无机功能组分对气凝胶也有一定的增强作用。最后，气凝胶可以用作全固态超级电容器的电极材料。

生物医学

气凝胶广泛应用于生物医学。纤维素气凝胶和碳气凝胶因其生物相容性和可生物降解性而广泛用于医疗领域，包括诊断试剂、人造组织、人造器官和器官组件等。二氧化硅气凝胶具有很低的体积密度和很高的机械刚度，可以增强人工心脏瓣膜的耐久性，是人工心脏瓣膜的理想材料。

气凝胶可以在药物控释系统中实现高载药量和优异稳定性的胃肠外给药系统。通过控制制备条件，还可以获得具有特殊降解特性的气凝胶这些气凝胶在生物体内稳定存在一段时间后可被降解，降解产物无毒。此外，通过在气凝胶中引入银纳米粒子等功能成分，可以生产出具有抗菌活性的气凝胶，可广泛应用于生物医学领域。科学家还开发了具有选择性释放功能的石墨烯/PVA气凝胶可以通过控制酸碱环境选择性释放药物。此外，研究人员还致力于改进气凝胶的制备方法，增强其耐久性和机械性能，从而实现气凝胶在生物医学领域的广泛应用。

建筑领域

气凝胶在建筑中主要有四种应用形式：气凝胶颗粒、气凝胶毡、气凝胶板和气凝胶玻璃等。气凝胶颗粒主要用作颗粒填料，起到保温隔热的作用，也是气凝胶毡的原材料；气凝胶毡主要用于管道保温和铺设地面保温层；墙壁用气凝胶板、隔断等装饰保温；凝胶玻璃可用于窗户太阳能收集器等。

其他领域

在工业催化领域，气凝胶可以将催化剂的活性组分非常均匀地分布在孔中，因此催化体系的选择性较低、热稳定性、催化活性、使用寿命大大提高，具有广阔的应用前景。气凝胶催化体系已成功应用于硝化反应、加氢、脱水、异构化、在甲醇合成和其他反应中。此外，气凝胶还可用于化工和环保领域的污水处理；在新能源领域，气凝胶可以用来储存氢气；在空间科学领域，气凝胶可以捕获太空中的高速粒子；在食品工业领域，气凝胶可用于食品包装和储存；在农业领域，气凝胶可以吸附并杀死昆虫的脂质层，从而达到保护食物的目的。