第一部分 气凝胶的历史 1
1 气凝胶的历史 3
1.1 Kistler的开创性研究 3
1.2 气凝胶合成化学的进一步研究 6
1.3 气凝胶表征技术与其应用发展 8
1.4 气凝胶最新进展 11
参考文献 12
第二部分 材料与加工：无机物-SiO2基气凝胶 23
2 SiO2气凝胶 25
2.1 详细工艺 25
2.1.1 溶胶-凝胶合成 25
2.1.2 老化 28
2.1.3 干燥 28
2.1.4 合成的灵活性 32
2.2 SiO2气凝胶主要性能与应用 34
2.2.1 织构 34
2.2.2 化学性质 36
2.2.3 物理性能与相关应用 37
2.3 结论 41
参考文献 42
3 疏水SiO2气凝胶：合成、性能与应用评述 54
3.1 前言 54
3.2 气凝胶制备工艺 55
3.2.1 湿溶胶凝胶的形成 55
3.2.2 湿凝胶的干燥 57
3.3 疏水气凝胶 63
3.3.1 什么是气凝胶疏水 63
3.3.2 我们如何测量疏水性 66
3.4 文献综述 69
3.4.1 共前驱体法评述 75
3.4.2 硅烷化方法评述 76
3.4.3 干燥方法对疏水性的影响 78
3.5 应用 78
3.5.1 环境清理与保护 78
3.5.2 生物应用 79
3.5.3 超疏水表面 80
3.6 结论 80
参考文献 80
4 超疏水与弹性气凝胶 87
4.1 前言 87
4.2 合成与表征 88
4.2.1 溶胶-凝胶合成与超临界干燥 89
4.2.2 材料表征 90
4.3 水-表面相互作用 93
4.3.1 水滴滑动 95
4.3.2 液体弹珠：超疏水气凝胶包覆的水滴 95
4.4 力学与弹性性质 96
4.4.1 合成参数对材料弹性的影响 98
4.4.2 机械阻尼的应用潜力 101
4.5 碳氢化合物吸附行为 101
4.5.1 吸附能力 102
4.5.2 脱附率 103
4.5.3 气凝胶的过程可逆性和重复使用 105
4.5.4 经济因素 106
4.6 总结 106
参考文献 107
5 常压干燥硅酸钠基气凝胶 110
5.1 前言 110
5.1.1 SiO2气凝胶 110
5.1.2 为什么使用硅酸钠 111
5.1.3 常压干燥的必要性 112
5.1.4 表面化学改性的必要性 112
5.2 硅酸钠基气凝胶的常压干燥制备 113
5.2.1 通过溶胶-凝胶路线制备凝胶 114
5.2.2 洗涤／溶胶交换／表面改性 116
5.2.3 改性凝胶的干燥 118
5.3 各种工艺参数对气凝胶理化性质的影响 120
5.3.1 溶胶中硅酸钠浓度的影响 120
5.3.2 溶胶pH的影响 120
5.3.3 老化（ta）效应与洗涤（tw）周期 122
5.3.4 所用交换溶剂类型的影响 124
5.3.5 硅烷化试剂的使用量和硅烷化处理持续时间的影响 125
5.3.6 干燥温度的影响 127
5.3.7 关于参数优化的一些注解 127
5.3.8 作为隔热材料的SiO2气凝胶 128
5.4 结论 128
参考文献 129
第三部分 材料与加工：无机物-非硅基气凝胶 133
6 ZrO2气凝胶 135
6.1 前言 135
6.2 氧化锆气凝胶的制备 136
6.3 制备参数对氧化锆气凝胶织构和结构的影响 137
6.3.1 酸浓度的影响 137
6.3.2 水解率（H2O/Zr）的影响 138
6.3.3 锆前驱体浓度的影响 138
6.3.4 超临界干燥温度的影响 138
6.3.5 高温或低温超临界获得的氧化锆气凝胶 138
6.3.6 与干凝胶相比氧化锆气凝胶的优势 139
6.3.7 凝胶老化的影响 139
6.4 氧化锆气凝胶的应用 140
6.4.1 氧化锆气凝胶和催化 140
6.4.2 氧化锆气凝胶和陶瓷 146
6.4.3 氧化锆气凝胶和固体氧化物燃料电池 147
6.5 结论 148
参考文献 148
7 TiO2类气凝胶材料的常压制备 153
7.1 前言 153
7.2 原理 154
7.3 聚合物与表面活性剂模板：方法 154
7.3.1 混合法模板化 155
7.3.2 浸泡法模板化 155
7.3.3 类气凝胶材料的制备 157
7.3.4 干燥与退火凝胶的表征 157
7.4 聚合物与表面活剂模板化：结果 157
7.5 结论 160
参考文献 160
8 无机气凝胶的一种鲁棒合成方法：在溶胶-凝胶合成中使用环氧衍生物 163
8.1 前言 163
8.2 环氧引发凝胶化的机制 164
8.2.1 溶胶形成与凝胶化 164
8.2.2 金属离子的水解和缩合 165
8.2.3 环氧引发的凝胶化 166
8.3 环氧引发凝胶化的气凝胶材料 171
8.3.1 金属氧化物气凝胶 172
8.3.2 混合金属氧化物和复合气凝胶 173
8.4 总结 175
参考文献 176
第四部分 材料与加工：有机-天然与合成气凝胶 181
9 单块和纤维状纤维素气凝胶 183
9.1 前言 183
9.2 纤维素单块气凝胶 184
9.3 纺织应用的纤维素丝 195
9.4 结论 197
参考文献 198
10 纤维素与聚氨酯气凝胶 201
10.1 前言 201
10.2 聚氨酯气凝胶 203
10.2.1 合成 203
10.2.2 工艺和材料 205
10.2.3 杂化与复合材料 209
10.3 纤维素衍生物气凝胶 211
10.3.1 合成 211
10.3.2 过程与材料 214
10.3.3 杂化与复合材料 220
10.4 结论 220
参考文献 221
11 间苯二酚-甲醛气凝胶 226
11.1 前言 226
11.2 间苯二酚-甲醛化学 227
11.2.1 碱催化凝胶化 228
11.2.2 酸催化凝胶化 229
11.3 通过碱催化路线制备的RF气凝胶 230
11.3.1 通过碱催化路线制备RF气凝胶的过程 230
11.3.2 影响通过碱催化路线制备的RF气凝胶结构和性能的因素 231
11.4 酸催化制备的RF气凝胶 233
11.5 酸催化和碱催化RF气凝胶的性能比较 236
11.5.1 化学成分 236
11.5.2 形貌 237
11.6 RF气凝胶的替代途径 238
11.7 RF气凝胶的商业应用 240
11.8 结论 241
参考文献 241
12 具有环保特性的天然气凝胶：碳封存与农药捕获 247
12.1 前言 247
12.2 实验 248
12.2.1 样品制备 248
12.3 结果 249
12.3.1 英石聚集体与合成凝胶间的类比 249
12.3.2 超临界干燥 251
12.3.3 孔特性和分形结构 251
12.3.4 英石土壤中的碳、氮和农药含量 253
12.4 讨论 254
12.5 结论 256
参考文献 257
第五部分 材料与加工：复合气凝胶 261
13 聚合物交联气凝胶 263
13.1 前言 263
13.2 通过与聚合物复合解决气凝胶脆性 264
13.3 聚合物／溶胶-凝胶复合材料的分类 265
13.4 采用预制3D纳米粒子网络的聚合物交联形成Ⅱ类模型2气凝胶 267
13.4.1 通过凝胶化后引入单体的交联 268
13.4.2 提高气凝胶的可加工性 290
13.5 结论 293
参考文献 295
14 间苯二酚-甲醛／金属氧化物有机／无机互穿网络气凝胶 301
14.1 前言 301
14.2 RF与金属氧化物网络的共凝胶 304
14.3 原生RF-MOx气凝胶、干凝胶和X-RF-MOx气凝胶的材料特性 310
14.4 RF与MOx纳米粒子间的反应 316
14.4.1 化学变化 316
14.4.2 RF-MOx体系在裂解过程中的形貌变化 323
14.5 结论 323
参考文献 325
15 改善聚合物增强气凝胶的弹性 330
15.1 前言 330
15.2 己基连接的聚合物增强二氧化硅气凝胶 333
15.2.1 二异氰酸酯增强的气凝胶 333
15.2.2 苯乙烯增强气凝胶 337
15.2.3 来源于乙醇溶剂的环氧增强气凝胶 339
15.3 烷基三烷氧基硅烷基增强的气凝胶 342
15.4 未来的方向 346
15.5 结论 348
参考文献 348
16 含有金属、合金和氧化物纳米粒子嵌入介电基质的气凝胶 352
16.1 前言 352
16.2 含有氧化物纳米颗粒的气凝胶 354
16.3 含有金属和合金纳米粒子的气凝胶 365
16.4 结束语 375
参考文献 376
第六部分 材料与加工：新型气凝胶 383
17 硫族气凝胶 385
17.1 前言 385
17.2 硫族气凝胶的硫解路线：GeS2 385
17.3 硫族气凝胶的团簇连接路线 387
17.3.1 来自主族硫化物团簇和Pt2＋的气凝胶 387
17.3.2 来自MS2- 4（M=Mo,W）离子和Ni2＋（Co2＋）的气凝胶 388
17.4 硫族气凝胶的纳米粒子组装路线 390
17.4.1 CdS气凝胶 390
17.4.2 纳米粒子组装路线在PbS,ZnS和CdSe中的应用：CdSe凝结的氧化效应 392
17.4.3 密度和维度对量子限域效应的影响 393
17.4.4 优化光电发射特性 395
17.4.5 CdSe气凝胶中的形貌控制 395
17.4.6 扩展方法：离子交换 397
17.4.7 扩展方法：碲化物 399
17.5 结论 400
参考文献 400
18 含有生物聚合物的气凝胶：壳聚糖-SiO2杂化气凝胶 403
18.1 前言 403
18.2 合成 405
18.3 性质 407
18.4 化学性质与新型气凝胶材料 409
18.4.1 含铁的壳聚糖-SiO2气凝胶 410
18.4.2 含有过渡金属的气凝胶化学 411
18.4.3 含金的壳聚糖-SiO2气凝胶化学 412
18.4.4 纳米区域内化学反应的扩散控制 416
18.4.5 壳聚糖-SiO2气凝胶与聚合物和其他物质的黏附 416
18.5 结论 418
参考文献 419
19 光刻各向异性气凝胶 421
19.1 前言 421
19.2 一般原理 422
19.3 基质孔隙内纳米粒子的合成 422
19.3.1 红外光刻 423
19.3.2 紫外光刻 424
19.3.3 X射线光刻 425
19.3.4 三维图饰 427
19.4 由聚合物光交联的各向异性 427
19.5 物理性质 430
19.5.1 吸收与发射 430
19.5.2 折射率 432
19.5.3 力学性能 432
19.6 结论 433
参考文献 433
20 超声催化合成气凝胶：超声凝胶 437
20.1 超声凝胶法 437
20.1.1 理解空化 437
20.1.2 超声凝胶 438
20.1.3 超声凝胶过程 439
20.1.4 水解的物理化学 440
20.1.5 实验方案选择 442
20.1.6 超声凝胶的凝胶化 442
20.1.7 超声有机改性硅氧烷（Ormosils） 445
20.2 结构 445
20.2.1 从溶胶到凝胶 445
20.2.2 致密的无机超声气凝胶 447
20.2.3 轻质超声气凝胶 453
20.3 从凝胶到玻璃 455
20.4 机械性能 457
20.5 超声气凝胶的应用 458
20.5.1 生物材料 458
20.5.2 用于CO2封存的纳米复合材料 458
20.6 结论 459
参考文献 460
第七部分 性质 467
21 气凝胶的结构表征 469
21.1 引言 469
21.2 结构参数和相关的实验技术 469
21.3 显微测试 471
21.4 散射技术 476
21.4.1 弹性散射 477
21.4.2 非弹性散射 486
21.5 氦比重法 488
21.6 气体吸附孔隙度测定法 490
21.7 Hg孔度法（压汞法） 500
21.8 热孔度法 504
21.9 其他表征方法 506
21.10 结论 511
参考文献 512
22 气凝胶的力学性能表征 519
22.1 前言 519
22.2 力学性能表征方法 520
22.2.1 DSC,DMA及纳米压痕仪 520
22.2.2 拉伸、压缩及加载-卸载试验 521
22.2.3 蠕变、松弛及恢复试验 521
22.2.4 中等到高应变速率下的试验 521
22.2.5 超声回声试验 522
22.2.6 断裂与疲劳试验 522
22.3 原生气凝胶的力学性能表征 523
22.4 X-Aerogels的力学性能表征 525
22.4.1 动态机械分析 526
22.4.2 弯曲模量与强度 528
22.4.3 低应变速率下的压缩 529
22.4.4 动态压缩 536
22.5 结论 550
参考文献 550
23 气凝胶的热性能 556
23.1 气凝胶中传热的一般特性 556
23.2 光学厚度气凝胶的等效热导率 557
23.2.1 通过固体骨架的传热 558
23.2.2 通过气相的传热 558
23.2.3 辐射传热 562
23.2.4 气凝胶的总等效热导率 563
23.3 光性薄气凝胶的传热性质 571
23.4 气凝胶粉末、颗粒和气凝胶复合材料的热导率 574
23.5 气凝胶的比热 577
23.6 结论 578
参考文献 579
24 气凝胶的原子及介观尺度模拟和建模方法 584
24.1 引言 584
24.2 原子模型 587
24.2.1 基础化学 587
24.2.2 低聚反应和凝胶化模拟 588
24.3 粗粒化模拟 592
24.3.1 硬球凝聚模型 593
24.3.2 柔性粗粒化模型 595
24.4 结论与展望 596
参考文献 597
第八部分 应用：能源 603
25 气凝胶和溶胶-凝胶复合材料作为纳米结构含能材料 605
25.1 前言 605
25.2 气凝胶和溶胶-凝胶法加工的纳米含能材料的属性 606
25.3 通用溶胶-凝胶纳米结构含能材料 607
25.3.1 作为纳米结构含能复合材料的无机气凝胶材料 608
25.3.2 气凝胶和溶胶-凝胶复合纳米结构发火材料 614
25.3.3 用作纳米结构含能复合材料的有机气凝胶材料 619
25.4 小结 624
参考文献 624
26 超级隔热气凝胶：综述 628
26.1 超级隔热：总体需求及建筑领域的特殊需要 628
26.1.1 为什么需要超级隔热 628
26.1.2 关注建筑物隔热 629
26.2 高性能隔热或超级隔热：基础 631
26.2.1 热导率数值范围及传热物理 631
26.2.2 真空隔热板、真空平板玻璃和气凝胶平板玻璃 634
26.3 世界隔热市场概述 635
26.4 超级隔热气凝胶及相关组件的现状 637
26.4.1 超级隔热SiO2气凝胶 637
26.4.2 超级隔热有机气凝胶 641
26.4.3 复合材料和杂化材料 643
26.4.4 商业化产品 644
26.5 基于气凝胶的产品的应用 645
26.5.1 离岸油气 646
26.5.2 航空和航天应用 646
26.5.3 高温 647
26.5.4 低温应用 647
26.5.5 服装和家电（冰箱系统、户外服装和鞋类） 647
26.5.6 进一步考察建筑隔热气凝胶：启动和测试阶段 647
26.6 毒性、健康以及环境问题 649
26.7 结论 649
参考文献 650
第九部分 应用：化学与物理 655
27 气凝胶作为化学传感器平台 657
27.1 引言：为什么采用气凝胶用作传感应用 657
27.2 基于二氧化硅气凝胶平台的光学传感器 658
27.2.1 气凝胶自身的光致发光改性 659
27.2.2 探针核素的共价连接 660
27.2.3 探针核素的静电黏附 661
27.2.4 探针核素的捕获 662
27.2.5 二氧化硅气凝胶用作拉曼散射测量的样品夹持 665
27.2.6 二氧化硅复合材料 665
27.3 基于气凝胶平台的电导率测试传感器 666
27.3.1 二氧化硅气凝胶平台作为电导率测试传感器 666
27.3.2 碳气凝胶复合材料用作电导率传感器 667
27.4 其他在传感应用方面显示出优势的气凝胶平台 667
27.4.1 二氧化钛气凝胶作为传感器平台 667
27.4.2 黏土气凝胶用作传感应用 668
27.5 总结与将来的方向 668
参考文献 669
28 用作高能物理研究的透明二氧化硅气凝胶块料 672
28.1 引言 672
28.2 憎水二氧化硅气凝胶块材 672
28.2.1 制备过程 673
28.2.2 光学性质 674
28.3 气凝胶切伦科夫计数器 674
28.3.1 阈值类切伦科夫计数器 676
28.3.2 成像环切伦科夫计数器 677
28.4 KEK B-factory实验 678
28.4.1 目标 678
28.4.2 BELLE探测器中的气凝胶切伦科夫计数器 678
28.4.3 B-factory的结果 679
28.5 其他实验的成绩 681
28.6 “松下”二氧化硅气凝胶的规格 681
28.7 结论 682
参考文献 683
29 用于玻璃合成的二氧化硅气凝胶的烧结：应用到核废物密封装置中 686
29.1 前言 686
29.2 通过溶胶-凝胶过程获得的玻璃 688
29.3 密封过程原理 689
29.4 二氧化硅气凝胶寄主材料的合成 690
29.4.1 部分烧结的气凝胶 690
29.4.2 复合气凝胶 691
29.4.3 渗透性 691
29.5 核玻璃-陶瓷的合成 691
29.6 玻璃-陶瓷的表征 692
29.6.1 结构 692
29.6.2 水腐蚀行为 694
29.6.3 核玻璃-陶瓷的力学特性 696
29.7 结论 697
参考文献 698
第十部分 应用：生物医学与制药 703
30 气凝胶的生物医学应用 705
30.1 引言 705
30.2 气凝胶作为心血管植入器件 706
30.3 气凝胶用作组织工程基底 711
30.4 气凝胶用作药物传递系统 713
30.5 在生物医学应用中气凝胶的未来 715
30.6 结论 715
参考文献 715
31 气凝胶的制药应用 717
31.1 前言 717
31.2 二氧化硅气凝胶用作药物的寄主基质（药物载体） 718
31.2.1 通过吸附作用的气凝胶负载 718
31.2.2 药物从二氧化硅气凝胶的释放 721
31.3 改良气凝胶：官能团对药物吸附和释放动力学的影响 723
31.3.1 吸附 723
31.3.2 释放动力学 723
31.4 采用二氧化硅气凝胶的制药配方 726
31.4.1 半固体配方 726
31.4.2 固体配方 727
31.5 在气凝胶中的药物的结晶和析出 729
31.6 气凝胶作为酶类和蛋白质的载体 731
31.7 有机气凝胶作为药物传递系统 733
31.7.1 药物释放 734
31.8 基于生物聚合物的气凝胶用作药物载体 735
31.9 结论 736
参考文献 737
第十一部分v应用：太空和机载 741
32 气凝胶在太空探索中的应用 743
32.1 前言 743
32.2 超速粒子捕获 744
32.2.1 最初的有关轨道的研究 744
32.2.2 Stardust任务 744
32.2.3 提议中的SCIM任务 749
32.2.4 非二氧化硅气凝胶 751
32.2.5 热量计式气凝胶 753
32.3 隔热，绝热 754
32.3.1 2003火星探险漫游者 754
32.3.2 火星科学实验室 756
32.3.3 热电 757
32.3.4 高级Stirling放射性同位素产生器 762
32.4 低温流体约束 763
32.5 结论 766
参考文献 766
33 机载超声换能器 770
33.1 用于超声传感的换能器 770
33.2 气凝胶的声学特性 772
33.3 超声换能器设计 774
33.4 气凝胶声学匹配层的加工 776
33.5 气凝胶超声换能器 777
33.6 结论 782
参考文献 782
第十二部分 应用：金属工业 783
34 气凝胶用于铸造应用 785
34.1 铸造所需模具制备的一般知识 785
34.2 模具和核芯的功能要求 786
34.3 间苯二酚-甲醛（RF）气凝胶作为黏合剂 787
34.4 AeroSand的力学特性 788
34.5 RF气凝胶-砂混合物的干燥 791
34.6 热分解 793
34.7 气体渗透性（透气性） 794
34.8 碳气凝胶作为黏接材料 796
34.9 气凝胶作为铸造砂的纳米添加剂 798
34.10 在固化和浇铸研究中的气凝胶 801
34.10.1 形状填充 801
34.10.2 气凝胶用作定向凝固 805
34.11 结论 808
参考文献 809
第十三部分 应用：艺术 811
35 气凝胶雕塑：一种自由维度的空间艺术 813
35.1 艺术家看气凝胶 813
35.2 关于艺术的发展和实现 814
参考文献 830
第十四部分 应用：其他 831
36 碳气凝胶的制备和应用 833
36.1 前言 833
36.2 碳气凝胶的合成 835
36.2.1 RF气凝胶的合成 835
36.2.2 碳气凝胶的制备 836
36.3 碳气凝胶的表征 837
36.3.1 扫描电镜（SEM） 837
36.3.2 氮吸附测量 838
36.3.3 X射线衍射 839
36.4 过程控制对碳气凝胶结构的影响 841
36.4.1 干燥过程 841
36.4.2 高温分解技术（碳化） 842
36.5 应用 843
36.5.1 电学应用 843
36.5.2 氢存储和吸附 844
36.5.3 催化剂载体 845
36.5.4 作为隔热材料 845
36.5.5 其他应用 846
36.6 结论 846
参考文献 846
第十五部分 商用产品 855
37 气凝胶材料消费产品的制造以及市场预测与分析 857
37.1 前言 857
37.2 绝热方案 857
37.2.1 目前的隔热材料 857
37.2.2 合成革新 858
37.3 气凝胶产品的市场机会 859
37.3.1 气凝胶产品的革新扩散 859
37.3.2 互联网和气凝胶 860
37.3.3 产品成本和障碍 861
37.4 “短期的绝佳机会”与气凝胶产品 862
37.4.1 潮湿及压力下的测试结果 863
37.4.2 Wal-Mart中的气凝胶产品 863
37.4.3 气凝胶的消费意识 864
37.4.4 流行Vs性能 865
37.4.5 成本因素 866
37.5 在消费市场气凝胶的商业化总结 866
参考文献 867
38 Cabot公司气凝胶产品：众多应用的通用特性 868
38.1 前言 868
38.2 Cabot气凝胶 868
38.3 历史 869
38.3.1 时间线：Cabot领先气凝胶生产 869
38.4 应用 870
38.4.1 建筑采光 870
38.4.2 楼房隔热 871
38.4.3 油气管道 871
38.4.4 工业和低温应用 872
38.4.5 户外装备和服装 873
38.4.6 特制化学品和涂料 873
38.4.7 个人护理 873
38.5 产品 874
38.5.1 特性 875
38.5.2 绿色材料 876
38.6 结论 877
参考文献 877
39 美洲气凝胶公司：有机气凝胶的商业化 878
39.1 前言 878
39.2 历史 878
39.3 Aerocore描述：小孔面积材料 879
39.4 商业化观察 882
39.5 结论 883
参考文献 883
40 纳诺高科气凝胶超级隔热材料 884
40.1 关于纳诺高科 884
40.1.1 纳诺高科大事记 885
40.2 主要产品 886
40.2.1 柔软隔热毛毡（FM） 886
40.2.2 隔热板（IP） 886
40.2.3 隔热用柱形和特制形状部件（CS） 887
40.2.4 采光板（TP） 890
40.2.5 气凝胶粉末，颗粒（AP）以及块体 891
40.3 应用领域和客户 893
40.4 研发以及将来的应用 894
40.5 结论 895
参考文献 895
41 OKAGEL：高隔热采光系统 897
41.1 前言 897
41.2 隔热能力 898
41.3 半透明隔热材料 899
41.4 二氧化硅气凝胶 901
41.5 多功能，高隔热Facade元件 902
41.6 应用 902
41.7 结论 904
参考文献 905
第十六部分 结论 907
42 结束语和展望 909
词汇与缩略语 911
名词索引 935