人類對材料性能的追求是無止限的，比如說“低密度”就是一個很重要的研究方向，因此越來越多的“超輕材料”得以誕生。

一般而言，表觀密度低于10 mg/cm³的材料都會被定義為超輕材料。之所以能“超輕”，主要是因為其自身的多孔結構。根據孔徑的大小，超輕材料可分為納米級、微孔級和毫米級，一般前兩者側重于材料的功能性質，如電學性質、磁性、光學性質；而后者除了質量輕外，像多孔金屬這樣熱力學性質優異的材料也可以滿足不同民用和軍用需求。

經過科學家多年來的努力，超輕材料已經得到了很好的發展，新成員不斷涌現，按照材料結構的不同，可分為氣凝膠、泡沫材料以及微點陣材料三大類。它們之間都有哪些區別，各自都有哪些特長，下面便來一起看一看。

氣凝膠

在超輕材料的發展過程中，氣凝膠是最先出現的一種。氣凝膠是一種結構可控的納米多孔輕質材料，具有納米結構、高比表面積、高孔隙率等特點，在熱學、聲學、光學、電學等方面、具有特殊的性能，尤其在絕熱方面，氣凝膠是迄今為止絕熱性能最好的材料之一。

氣凝膠主要可分為硅系氣凝膠，碳系氣凝膠兩大類。

硅系氣凝膠是氣凝膠中最傳統也是最常見的一類，主要就是二氧化硅氣凝膠，也被稱作“藍煙”、“固體煙”。目前采用超臨界的乙醇干燥兩步溶膠—凝膠過程得到的二氧化硅氣凝膠，最小密度可達到2.3mg/cm³?

碳系氣凝膠可分為碳納米管氣凝膠、石墨烯氣凝膠、碳納米管-石墨烯復合氣凝膠以及碳納米纖維氣凝膠，能在質輕的同時兼具這些碳材料本身的功能。如浙江大學高超教授等人研制的全碳氣凝膠，其密度僅有0.16 mg/cm³，可以在數千次被壓縮至原體積的20%之后迅速復原，而且吸油能力極強，吸收量可高達自身質量的900倍。

泡沫材料

泡沫材料是一種含有無序孔隙的多孔材料，按照孔隙的形態可分為開孔泡沫和閉孔泡沫。開孔泡沫指的是孔隙與孔隙間相通，閉孔泡沫即孔隙表面是閉合的，孔隙與孔隙間被固體骨架所隔開。而按照泡沫材質的不同，可分為金屬泡沫、碳系泡沫和聚合物泡沫。

金屬泡沫從上世紀80年代后期開始得到迅速發展，不僅具有金屬本身的導電導熱性，還具有諸如輕質、高比表面、剛性大、減振效果好等物理性能。雖然隨著碳系泡沫及點陣材料的出現，傳統金屬泡沫在應用受到了一定的限制。但通過與陶瓷材料的復合，它也展現出了新的生機——美國科學家研發的一種金屬基復合泡沫，在鎂合金基復合材料的基礎上利用中空碳化硅顆粒進行加固，不僅重量輕浮力大，而且還很堅固，可用于制造船只甲板、汽車零部件、浮力模塊以及車輛裝甲。

碳系泡沫經常由金屬泡沫作催化劑在其基礎上加工得來，但相比之下具有更多的功能。如由Wu等制備得到的3D石墨烯泡沫是通過鎳泡沫做犧牲模板，將電處理過后的薄石墨烯沉積在模板上，然后在FeCl₃/HCl的混合溶液中將模板腐蝕掉得到的。這種石墨烯泡沫可用作超級電容器。

聚合物泡沫同樣具備輕質高強的性質，同時由于聚合物特有的性質，聚合物通常具有形狀可塑性及記憶功能。Singha等利用二氧化碳氣體發泡的方法制備得到一種密度為15mg/cm³的聚氨酯泡沫。這種聚合物泡沫具有好的形狀記憶功能和生物相容性。

微點陣材料

微點陣材料是近年來興起的一種新穎的多功能超輕材料。其最大的特點是可設計性強，其結構具備有序性。雖然相對泡沫材料來說，有序結構在比表面積和表觀密度上會稍微差一點，但由于其有序性，使得材料具有高的硬度和強度，因此在應用上更占優勢。主要可分為金屬微點陣材料、陶瓷微點陣材料、碳系微點陣材料。

金屬微點陣材料是最先出現的微點陣材料的類型。波音公司曾在2015年展示了他們獨特的3D打印微點陣結構材料，他們相信這是世界上最輕的金屬。據悉，它的原始設計來自美國國防部高級研究計劃局(DARPA)，它的重量比塑料更輕，壁結構比人的頭發絲還細一千倍，密度僅為0.9mg/cm³，該結構是一種由相互連接的空心管金屬晶陣，這使得它具有非常強的抗壓縮能力和高水平的吸收力。

陶瓷點陣材料不僅超輕、強質，而且在一定程度上可克服其脆性。Meza等通過雙光子光刻技術得到聚合物模型，用其做模板，通過原子層沉積鍍上一層納米級的氧化鋁膜，并通過氧氣等離子體將聚合物模板刻蝕掉，得到厚度為5~60nm的中空氧化鋁陶瓷點陣，對應的密度為6.3~258mg/cm³，這種超輕的陶瓷材料具有能量儲存的功能，并可以通過改變厚度/半徑比值的大小，減小和抑制材料的脆性斷裂。

碳系微點陣材料同樣具有相當優良的性能，如Cheung等出了一種碳纖維增強復合材料，這種材料可以通過3D打印出來，并可以像積木一樣進行可逆的拆卸—再組裝。其密度在7.2mg/cm³時，對應的彈性模量可達12.3MPa。該種材料可以作為一種彈性固體響應力學性能，這是現有的其他超輕材料所達不到的。

結語：總體來說，氣凝膠與泡沫均具有輕質高強的性質，但孔隙不可控；微點陣結構具有可設計性以及周期性，材料強度更高。隨著微型3D打印等科技的發展，或許會有更多體積更小、質量更輕、強度更高的微點陣材料在各領域發揮更大的作用。

資料來源：

超輕材料，高燕，周永風，楊青林，郭林，江雷。

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