人类对材料性能的追求是无止限的，比如说“低密度”就是一个很重要的研究方向，因此越来越多的“超轻材料”得以诞生。

一般而言，表观密度低于10 mg/cm³的材料都会被定义为超轻材料。之所以能“超轻”，主要是因为其自身的多孔结构。根据孔径的大小，超轻材料可分为纳米级、微孔级和毫米级，一般前两者侧重于材料的功能性质，如电学性质、磁性、光学性质；而后者除了质量轻外，像多孔金属这样热力学性质优异的材料也可以满足不同民用和军用需求。

经过科学家多年来的努力，超轻材料已经得到了很好的发展，新成员不断涌现，按照材料结构的不同，可分为气凝胶、泡沫材料以及微点阵材料三大类。它们之间都有哪些区别，各自都有哪些特长，下面便来一起看一看。

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、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。

气凝胶主要可分为硅系气凝胶，碳系气凝胶两大类。

硅系气凝胶是气凝胶中最传统也是最常见的一类，主要就是二氧化硅气凝胶，也被称作“蓝烟”、“固体烟”。目前采用超临界的乙醇干燥两步溶胶—凝胶过程得到的二氧化硅气凝胶，最小密度可达到2.3mg/cm³｡

碳系气凝胶可分为碳纳米管气凝胶、石墨烯气凝胶、碳纳米管-石墨烯复合气凝胶以及碳纳米纤维气凝胶，能在质轻的同时兼具这些碳材料本身的功能。如浙江大学高超教授等人研制的全碳气凝胶，其密度仅有0.16 mg/cm³，可以在数千次被压缩至原体积的20%之后迅速复原，而且吸油能力极强，吸收量可高达自身质量的900倍。

泡沫材料

泡沫材料是一种含有无序孔隙的多孔材料，按照孔隙的形态可分为开孔泡沫和闭孔泡沫。开孔泡沫指的是孔隙与孔隙间相通，闭孔泡沫即孔隙表面是闭合的，孔隙与孔隙间被固体骨架所隔开。而按照泡沫材质的不同，可分为金属泡沫、碳系泡沫和聚合物泡沫。

金属泡沫从上世纪80年代后期开始得到迅速发展，不仅具有金属本身的导电导热性，还具有诸如轻质、高比表面、刚性大、减振效果好等物理性能。虽然随着碳系泡沫及点阵材料的出现，传统金属泡沫在应用受到了一定的限制。但通过与陶瓷材料的复合，它也展现出了新的生机——美国科学家研发的一种金属基复合泡沫，在镁合金基复合材料的基础上利用中空碳化硅颗粒进行加固，不仅重量轻浮力大，而且还很坚固，可用于制造船只甲板、汽车零部件、浮力模块以及车辆装甲。

碳系泡沫经常由金属泡沫作催化剂在其基础上加工得来，但相比之下具有更多的功能。如由Wu等制备得到的3D石墨烯泡沫是通过镍泡沫做牺牲模板，将电处理过后的薄石墨烯沉积在模板上，然后在FeCl₃/HCl的混合溶液中将模板腐蚀掉得到的。这种石墨烯泡沫可用作超级电容器。

聚合物泡沫同样具备轻质高强的性质，同时由于聚合物特有的性质，聚合物通常具有形状可塑性及记忆功能。Singha等利用二氧化碳气体发泡的方法制备得到一种密度为15mg/cm³的聚氨酯泡沫。这种聚合物泡沫具有好的形状记忆功能和生物相容性。

微点阵材料

微点阵材料是近年来兴起的一种新颖的多功能超轻材料。其最大的特点是可设计性强，其结构具备有序性。虽然相对泡沫材料来说，有序结构在比表面积和表观密度上会稍微差一点，但由于其有序性，使得材料具有高的硬度和强度，因此在应用上更占优势。主要可分为金属微点阵材料、陶瓷微点阵材料、碳系微点阵材料。

金属微点阵材料是最先出现的微点阵材料的类型。波音公司曾在2015年展示了他们独特的3D打印微点阵结构材料，他们相信这是世界上最轻的金属。据悉，它的原始设计来自美国国防部高级研究计划局(DARPA)，它的重量比塑料更轻，壁结构比人的头发丝还细一千倍，密度仅为0.9mg/cm³，该结构是一种由相互连接的空心管金属晶阵，这使得它具有非常强的抗压缩能力和高水平的吸收力。

陶瓷点阵材料不仅超轻、强质，而且在一定程度上可克服其脆性。Meza等通过双光子光刻技术得到聚合物模型，用其做模板，通过原子层沉积镀上一层纳米级的氧化铝膜，并通过氧气等离子体将聚合物模板刻蚀掉，得到厚度为5~60nm的中空氧化铝陶瓷点阵，对应的密度为6.3~258mg/cm³，这种超轻的陶瓷材料具有能量储存的功能，并可以通过改变厚度/半径比值的大小，减小和抑制材料的脆性断裂。

碳系微点阵材料同样具有相当优良的性能，如Cheung等出了一种碳纤维增强复合材料，这种材料可以通过3D打印出来，并可以像积木一样进行可逆的拆卸—再组装。其密度在7.2mg/cm³时，对应的弹性模量可达12.3MPa。该种材料可以作为一种弹性固体响应力学性能，这是现有的其他超轻材料所达不到的。

结语：总体来说，气凝胶与泡沫均具有轻质高强的性质，但孔隙不可控；微点阵结构具有可设计性以及周期性，材料强度更高。随着微型3D打印等科技的发展，或许会有更多体积更小、质量更轻、强度更高的微点阵材料在各领域发挥更大的作用。

资料来源：

超轻材料，高燕，周永风，杨青林，郭林，江雷。

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