超轻材料的综述

ＰＲＯＧＲＥＳＳＩＮＣＨＥＭＩＳＴＲＹ化学进展ＤＯＩ：１０􀆰７５３６／ＰＣ１５０６３４ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｒｏｇｃｈｅｍ．ａｃ．ｃｎ　　ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０１５，２７（１２）：１７１４～１７２１超轻材料∗高　燕　周永风　杨青林∗∗　郭　林　江　雷（仿生智能界面科学与技术教育部重点实验室仿生能源材料与器件北京市重点实验室北京航空航天大学化学与环境学院　北京１００１９１）摘　要　超轻材料是一类密度小于１０ｍｇ／ｃｍ３的新型材料，具有良好的比强度和比刚度，是优异的物理化学性质和结构性能的统一体。随着人们对超轻材料强大性能的认识，国内外许多课题组都相继开展了对超轻材料的研究，并取得了一系列的成果。现有的超轻材料已经涵盖了硅系、金属及其氧化物、陶瓷、高分子聚合物、新型碳材料及其复合物等各类成分。超轻材料具有声吸收、能量吸收、减震缓冲、热绝缘等性能，在航空航天领域具有重要作用。超轻材料的性能主要取决于它的结构和组成材料的固体成分的性能，比如材料中孔隙的分布以及固体本身的硬度及强度都对性能有着重要的影响。本文根据材料结构的不同，将超轻材料分为气凝胶、泡沫材料、微点阵材料三类。本文对近年来超轻材料的材质及制备方法进行了简要的综述，并通过对各种材料的比较就该领域未来的发展进行了展望。关键词　超轻　气凝胶　结构　泡沫　微点阵中图分类号：Ｏ６４；ＴＢ３０３；ＴＢ３４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５⁃２８１Ｘ（２０１５）１２⁃１７１４⁃０８收稿：２０１５年６月，收修改稿：２０１５年７月，网络出版：２０１５年１２月１１日　∗国家自然科学基金项目（Ｎｏ．５１３７２０１０）和国家重点基础研究发展计划（９７３）项目（Ｎｏ．２０１０ＣＢ９３４７００）资助ＴｈｅｗｏｒｋｗａｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．５１３７２０１０）ａｎｄｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＢａｓｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（９７３）（Ｎｏ．２０１０ＣＢ９３４７００）．∗∗Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ　ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]∗ＧａｏＹａｎ　ＺｈｏｕＹｏｎｇｆｅｎｇ　ＹａｎｇＱｉｎｇｌｉｎ∗∗　ＧｕｏＬｉｎ　ＪｉａｎｇＬｅｉ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＢｉｏ⁃ｉｎｓｐｉｒｅｄＳｍａｒｔＩｎｔｅｒｆａｃｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＢｅｉｊｉｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＢｉｏ⁃ｉｎｓｐｉｒｅｄＥｎｅｒｇｙＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＤｅｖｉｃｅｓ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｕｌｔｒａｌｉｇｈｔｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅａｋｉｎｄｏｆｎｏｖｅｌｍａｔｅｒｉａｌｓｗｈｏｓｅｄｅｎｓｉｔｉｅｓａｒｅｌｅｓｓｔｈａｎ１０ｍｇ／ｃｍ３．Ｔｈｅｓｅｍａｔｅｒｉａｌｓｅｘｈｉｂｉｔｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｄｅｒｉｖｅｄｆｒｏｍｂｏｔｈｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈｐｏｓｓｅｓｓｈｉｇｈｓｐｅｃｉｆｉｃｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｐｅｃｉｆｉｃｓｔｉｆｆｎｅｓｓ．Ｗｉｔｈｔｈｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｕｌｔｒａｌｉｇｈｔｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｇｒｅａｔｅｆｆｏｒｔｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｏｔｅｄｔｏｓｔｕｄｙｉｎｇｕｌｔｒａｌｉｇｈｔｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｅｄｕｌｔｒａｌｉｇｈｔｍａｔｅｒｉａｌｓｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｓｉｌｉｃａ，ｍｅｔａｌａｎｄｏｘｉｄｉｚｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｃｅｒａｍｉｃ，ｐｏｌｙｍｅｒｓ，ｃａｒｂｏｎａｎｄｃｏｍｐｏｕｎｄｓ．Ｕｌｔｒａｌｉｇｈｔｍａｔｅｒｉａｌｓｐｌａｙａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆａｅｒｏｓｐａｃｅ，ｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｕｎｉｑｕｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｓｕｃｈａｓａｃｏｕｓｔｉｃａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，ｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，ｓｈｏｃｋａｂｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｍａｌｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｕｌｔｒａｌｉｇｈｔｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｄｅｆｉｎｅｄｂｏｔｈｂｙｔｈｅｉｒｃｅｌｌｕｌａｒａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｓｏｌｉｄ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｓｐａｔｉａｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｖｏｉｄｓａｎｄｓｏｌｉｄｓ，ｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｓｏｌｉｄｓ．Ｔｈｅｙａｌｌｈａｖｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｉｎｔｈｉｓｒｅｖｉｅｗ，ｕｌｔｒａｌｉｇｈｔｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｃｌａｓｓｉｆｉｅｄｉｎｔｏｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ：ａｅｒｏｇｅｌ，ｆｏａｍａｎｄｍｉｃｒｏｌａｔｔｉｃｅ．Ａｌｓｏ，ｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔｏｆｔｈｅｕｌｔｒａｌｉｇｈｔｍａｔｅｒｉａｌｓｃｒｅａｔｅｄｉｎｒｅｃｅｎｔｗｏｒｋａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｓｐｅｃｔｓａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｕｌｔｒａｌｉｇｈｔ高　燕等：超轻材料综述与评论化学进展，２０１５，２７（１２）：１７１４～１７２１·１７１５　·ｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅａｒｅａｌｓｏｂｒｉｅｆｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｄｂｙｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｕｌｔｒａｌｉｇｈｔ；ａｅｒｏｇｅｌ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｆｏａｍ；ｍｉｃｒｏｌａｔｔｉｃｅＣｏｎｔｅｎｔｓ１　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ２　Ａｅｒｏｇｅｌ２􀆰１　Ｓｉｌｉｃａａｅｒｏｇｅｌ２􀆰２　Ｃａｒｂｏｎａｅｒｏｇｅｌ３　Ｆｏａｍ３􀆰１　Ｍｅｔａｌｆｏａｍ３􀆰２　Ｃａｒｂｏｎｆｏａｍ３􀆰３　Ｐｏｌｙｍｅｒｆｏａｍ４　Ｍｉｃｒｏｌａｔｔｉｃｅ４􀆰１　Ｍｅｔａｌｍｉｃｒｏｌａｔｔｉｃｅ４􀆰２　Ｃａｒｂｏｎｍｉｃｒｏｌａｔｔｉｃｅ４􀆰３　Ｃｅｒａｍｉｃｍｉｃｒｏｌａｔｔｉｅ５　Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ１　引言随着科技的发展，对材料的性能要求越来越高，低密度材料也越来越受到人们重视，尤其是超轻材料的诞生使得低密度材料上了一个新的台阶。超轻材料［１］指的是密度小于１０ｍｇ／ｃｍ３的固体材料，具有优异的比强度、比刚度和耐热性，还具有良好的结构性能和物理及化学性能［２］。此外，超轻材料还显示出优异的减震降噪性能、良好的吸能缓冲性能、突出的吸声和屏蔽性能、理想的过滤与吸附性能等许多独特的功能特性，被誉为结构⁃功能一体化材料［３］。材料之所以能够具有超轻的密度，原因在于固体材料是多孔的。不同多孔材料的孔隙率和孔径大小都不相同，一般孔隙率为２０％～９９％，孔径大小也从纳米级到毫米级［４］。一般说来，纳米和微米级多孔材料侧重于材料的功能性质，如电学性质、磁性、光学性质，轻质处于第二位［５］。而毫米级的多孔材料，除了质量很轻以外，轻质多孔金属材料优异的热力学等性质也可以满足不同民用和军用需求，有些材料还可以大量低成本生产。采用不同方法可制备出相对密度和孔径尺寸在不同范围内的某类材料［６］。超轻材料的性能主要取决于它的结构（孔隙和固体成分在空间上的分布）和固体成分的性能（刚度、强度等）。近年来，通过国内外各课题组的努力，超轻材料已经得到了很好的发展，现有的超轻材料有二氧化硅气凝胶［２］（ρ≥１ｍｇ／ｃｍ３）、碳纳米管气凝胶［７］（ρ≥４ｍｇ／ｃｍ３）、金属泡沫［８］（ρ≥１０ｍｇ／ｃｍ３）、聚合物泡沫［９］（ρ≥８ｍｇ／ｃｍ３）、超轻的氮化硼泡沫［１０］（ρ≥１􀆰６ｍｇ／ｃｍ３）以及金属微晶格［１］（ρ≥０􀆰９ｍｇ／ｃｍ３）等。本文按照材料结构的不同，将超轻材料分为三类：气凝胶、泡沫材料以及微点阵材料，对近年来超轻材料的材质及制备方法进行了介绍，并通过比较对其性能进行了评价。表１是现有超轻材料组成结构、密度及制备方法的总结。２　气凝胶在超轻材料的发展过程中，气凝胶是最先出现的一种。气凝胶是一种结构可控的纳米多孔轻质材料，具有纳米结构、高比表面积、高孔隙率等特点，在热学、声学、光学、电学等方面［２５］具有特殊的性能。尤其在绝热方面，气凝胶是迄今为止绝热性能最好的材料之一。１９９７年，美国宇航局就曾将气凝胶作为隔热材料用于火星探测器中［２６］。由于这种材料具有纳米多孔结构（１～１００ｎｍ）、低密度（１～５００ｍｇ／ｃｍ３）、低介电常数（１􀆰１～２􀆰５）、低导热系数（０􀆰０１３～０􀆰０２５ｗ／ｍ·ｋ－１）、高孔隙率（８０％～９９􀆰８％）、高比表面积（２００～１０００ｍ２／ｇ）等特点［２８～３０］，以及其在航天、军事等方面的应用，被当时的人们称作是“改变世界的神奇材料”。而２０１２年由浙江大学的高超课题组通过将石墨烯和碳纳米管混合的水溶液在低温环境下冻干、去除水分、保留骨架，得到一种新的超轻材料———全碳气凝胶［１３］（图１），成功刷新了“最轻材料”的世界纪录，其密度仅为０􀆰１６ｍｇ／ｃｍ３。该课题组对这种全碳气凝胶的用途进行了探索，指出这种兼具超弹性和超轻性能的全碳气凝胶可用于清理水中泄露的石油及其他污染物，还可以用作极端条件下的阻尼材料［３１］。并通过将制备得的可溶性反⁃硫化超支化聚合物（ＳＩＶＨＰｓ）渗透在全碳气凝胶中，得到一种可用做锂⁃硫电池阴极的新型Ｒｅｖｉｅｗ化学进展·１７１６　·ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０１５，２７（１２）：１７１４～１７２１　　　　表１　现有超轻材料的组成结构、密度及制备方法的总结Ｔａｂｌｅ１　Ｔｈｅｓｕｍｍａｒｙｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｓｙｎｔｈｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄｏｆｅｘｉｓｔｅｄｕｌｔｒａｌｉｇｈｔｍａｔｅｒｉａｌｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｙｐｅｎａｍｅｄｅｎｓｉｔｙ（ｍｇ／ｃｍ３）ｓｙｎｔｈｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄｐｒｏｐｅｒｔｙｒｅｆａｅｒｏｇｅｌｓｉｌｉｃａａｅｒｏｇｅｌｃａｒｂｏｎａｅｒｏｇｅｌｓｉｌｉｃａａｅｒｏｇｅｌａｅｒｏｇｒａｐｈｉｔｅｃａｒｂｏｎａｅｒｏｇｅｌｇｒａｐｈｅｎｅａｅｒｏｇｅｌｎａｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅａｅｒｏｇｅｌｓ３～８０ｔｗｏｓｔｅｐｓｏｌ⁃ｇｅｌｔｈｅｒｍａｌｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ２２􀆰３ａｌｃｏｈｏｌｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｄｒｙｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ１１≥０􀆰２ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）ｂｙＺｎＯｔｅｍｐｌａｔｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒＬｉｉｏｎｃａｒｂａｔｔｅｒｉｅｓａｎｄｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ１２０􀆰１６～２２􀆰４ｓｏｌ⁃ｇｅｌｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ⁃ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｏｉｌａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ１３４􀆰４～７􀆰９ｆｒｅｅｚｅ⁃ｄｒｙｉｎｇｆｉｒｅ⁃ｒｅｓｉｓｔａｎｔ１４≥３􀆰２ｓｅｌｆ⁃ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅａｎｄｒｅｓｏｌｂｉｎｄｅｒｌｅｓｓｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｆｏｒｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ１５≥８ｃｙｃｌｉｃｆｒｅｅｚｉｎｇ⁃ｔｈａｗｉｎｇｓｕｐｅｒｗａｔｅｒａｂｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄｓｈａｐｅｍｅｍｏｒｙ１６ｆｏａｍｍｅｔａｌｆｏａｍｃａｒｂｏｎｆｏａｍｐｏｌｙｍｅｒｆｏａｍｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｅｔａｌｆｏａｍ≥１０ｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ８ｇｒａｐｈｅｎｅｆｏａｍ５ＣＶＤｂｙＮｉｆｏａｍｔ