气凝胶史话——第一节，神奇的果冻

它的重量，只有同等体积空气的2.5倍。只要薄薄的一小片，就可以挡住煤气喷枪产生的过千度的高温。仅仅1克重就可以覆盖1200平方米的面积。

它是世界上最好的保暖材料之一，从阿姆斯特朗登月时的宇航服，到北京奥运会的管道保温，都离不开它的身影。

它被人称之为——凝固的烟（Solid Smoke）。

它就是我们这次的话题主角——气凝胶。

相信不少人都在家里用果冻粉做过果冻，只要在一大碗水里加一小撮果冻粉，待其完全融化(准确的说，这个过程称为“水解”)并在冰箱冷藏室里低温冷却凝固后，就变成了一大块凝胶状的果冻。显而易见，果冻的主要成分其实就是水，因为我们只是添加了一点点果冻粉而已。如果我们在电子显微镜下观察这块果冻，我们会发现，在放大数十万倍后，这碗果冻事实上是是由一个个纳米尺寸的3维网格状结构所组成。然而，恰恰就是这一小撮果冻粉所形成的微观结构，将这一大碗水牢牢的“锁住”而不会流动。

如果你曾经做过果冻，那么恭喜你，气凝胶的生产过程，你已经实践过其中的一半了。气凝胶生产过程中的第一步除了这原料从果冻粉和水改为硅酸钠和硫酸之外，其他和做果冻的步骤基本一样。然而，最关键、也是最困难的下一步，就是怎么把这“果冻”在不破坏微观的3维网状结构的前提下想办法去掉里面的“水”，这成品，就是气凝胶了。

气凝胶的发明者Kistler在20世纪30年代时使用的工艺称为“超临界干燥”。简单的说，大致的步骤是这样的。先把这由硫酸和硅酸钠做成的“果冻”浸泡在纯酒精里足够长的时间，中间不断更换新的酒精，在这个过程中，酒精将逐步取代“果冻”中的水。在这个过程结束后，将“果冻”置于高温（300摄氏度）高压（8MPa）的环境中，待酒精完全挥发后，缓慢降低温度和压力直到完全冷却。在这个过程结束后，我们就拥有了世界上最轻的固体——气凝胶(Aerogel)。

晶莹剔透的气凝胶

 第二节，从太空人到普罗大众

到了20世纪80年代，由Arlon Hunt领导的劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley Laboratory）改进了生产工艺，包括用硅酸烷基酯和酒精来替代硅酸钠和硫酸，用液态二氧化碳来替代超临界干燥过程中的酒精。生产气凝胶变得更加安全了。

令人郁闷的是，这个冷却过程非常漫长，常常要花掉数天甚至一周以上的时间，而且花费不菲，甚至还有爆炸的危险，而最终的成品率很低。这就使得在相当长的时间内，气凝胶虽然是世界上最好的保温材料，但也几乎是最贵的保温材料，以至于我们在很长一段时间里，只能在NASA宇航员的宇航服里才能看到气凝胶的应用。

这种情况，一直到1999年才得以改变，而这要归功于一个韩国人Kang Lee和他的公司，Aspen System Inc.。Kang Lee的创业史是个很长的故事，这里就不多提了。我们只要知道，我们现在能在如此之多的产品（而不仅仅是宇航服）中看到气凝胶的应用，Aspen System功不可没。大致来说，Aspen在气凝胶的生产工艺上做出如下几项大的贡献：

其一，将冷却时间从一周缩短为几个小时，这就已经极大地降低了气凝胶的生产成本和风险。

其二，通过把气凝胶加入3M新雪丽(Thinsulate)材料中，使的气凝胶材料可以更容易的被应用在各种不同的用途之中。

其三，极大降低了对生产场地的要求，原来需要占据一整个街区的工厂，现在只要几百平米的空间就可以达到同样的产量。

气凝胶+Thinsulate=SpaceLoft，

Aspen公司给他们的新材料起了个好听的名字——SpaceLoft，后来基于材料特性和应用领域的不同，又分成两个大的系列，应用于建筑保温的Space Loft、应用于服装、管道等多种应用的Pyrogel（针对高温环境）和Cryogel（针对低温环境），目前我们在户外装备中所见到的绝大部分气凝胶应用，都是使用的不同型号的Pyrogel材料。

上图我们可以看到，Aspen公司的气凝胶材料，是做成了保温毯的形式，这样要远比果冻一样的“纯”气凝胶要便于裁剪和造型。使得气凝胶在服装上的应用成为可能。

Hugo Boss Absolute Zero（绝对零度）夹克，2001

Hugo Boss Absolute Forntier（绝对前沿）夹克，2001

2001年，由意大利Corpe Nova公司设计，挂着Hugo Boss标签的两款休闲服装上市。非常可惜的是，市场反馈并不很好，除了价格太贵之外，用户一致反映——太热。

第三节，不可思议的材料

各位读者可能要问了，说了这么多，这气凝胶到底有什么特别的好处么？ 优秀的保温材料并不少见，为什么气凝胶值得我们如此关注？

首先，气凝胶具有极好的保温性能。作为一种保温材料，自然其保温性能（准确的说，热绝缘性能）是首要考量的指标。下表列出了气凝胶和其他常见保温材料的热导率(k值，参见拙文k值，R值，U值和Clo——户外装备中常见的热物理量)，k值越低，保温性越好。

从上表可以看出，气凝胶在热导率方面无疑是具有极大优势的。

其次，超轻。以Aspen公司的Space Loft Ex为例，密度仅0.12g/cm³（这里得说明的是，这是已经添加了其他材料，比如3M Thinsulate的最终气凝胶保温材料产品）。这个密度是什么概念呢？下表是常见保温材料的密度一览。

各位看官可能要问了，纯气凝胶固然很轻，但是不便应用啊？实际能应用的SpaceLoft材料虽然热导率指标不错，但是看起来也不轻啊？这我们就要看它的下一个指标了。

再次，难于压缩，在15psi（1.05kg/cm²，一个大气压多点儿）的压力下，体积只会被压缩15%，也就是说，茶杯垫大小的一块就完全可以承担一个成年人的重量（所以甚至有人拿它做防爆材料），这一点既可以说是缺点，也可以说是优点。从好的方面说，难于压缩，那就意味着你无需等待它蓬松起来就可以保证同等的保暖性。而且，即使受到压力也提供很好的保暖性，所以非常适合用在受压较大的地方，比如鞋垫、睡垫。但是从差的方面说，这就意味着气凝胶材料的制成品要占用更大的体积，但好在气凝胶的保温性好，因此只要用很薄的厚度就可以实现同等的保暖性，所以总体上也能保证较小的体积；这就有点像钛合金的户外炊具，虽然钛合金密度比铝合金要高，但是因为钛合金强度很大，因此做的很薄就可以达到同等的强度，所以同等容积的钛锅一般都要比铝锅轻不少。也正是因为这一点，目前气凝胶在户外市场上的主要应用仍然是鞋垫、高山靴保暖层、睡垫等等，服装、睡袋等装备上的应用相对较少。

最后，气凝胶天生就是防水透气的（当然，透气指标肯定不高）。

经过上面这些，相信大家对于气凝胶的特点已经有了一定的了解，那么现在气凝胶及其相关产品已经有了哪些应用，尤其是有哪些户外产品用上了气凝胶？各个厂商对气凝胶是怎么样的态度？请听下回分解。

第四节，气凝胶在户外产品中的应用

非常抱歉，跳票这么久。

上回说到了气凝胶的一些基本的物理特性，我们不无遗憾的看到，实验室形态的气凝胶固然有种种不可思议的特性，但是在量产后的气凝胶材料，为了保证加工和实际的应用，在有些特性，尤其是密度方面的优势被极大的丧失。这也就使得，气凝胶材料（尤其是Space Loft一类）目前主要还是应用在建筑、石油、交通等等行业作为保温材料，比如北京地铁奥运线的建设，就使用了Pyrogel® 6350作为电缆绝热材料，隔绝电机产生的大量热量。

然而，在如今极度重视重量的户外行业，气凝胶产品的应用范围就不那么广泛了，前面有朋友提到说这种材料非常适合做防潮垫，因为气凝胶材料在高压力下仍然能保证较好的热绝缘性能（Aspen System的气凝胶产品在15psi的压力下仍然可以保证85%的热绝缘性能）。然而，或许大家没想到的是，气凝胶目前在户外用的最多，评价最好的产品，不是半米宽一米多长的防潮垫，而是只有20多厘米长短的——鞋垫。因为在我们的户外装备里，使用最频繁而承受压力最大的，无疑就是鞋垫了。

由Ploar wrap出品的Toasty Feet鞋垫同样采用的是Aspen System的Pyrogel作为保温材料，结构很简单，就是两层面料中间夹了一层气凝胶材料。Polar wrap还推出了一系列产品，比如减震型、磁疗型（原来这种东东美国人也信）、加强支撑型、透气型等等，但是本质上都差不多，售价不算贵，不到20US$的样子。2006年Ann Parmenter穿着toasty Feet的鞋垫登上了珠穆朗玛峰，据说只穿了一双袜子（没有保暖内袜）而且感觉是“太热了”（I used ToastyFeet™ insoles in my boots throughout the Everest climb. And I only wore one pair of socks, as my feet were perfectly comfortable and warm without liner socks. The only problem I had was my feet were too hot. What a great problem to have as a mountaineer!）。

此外，有必要一再提醒大家的是，这些热绝缘材料，不止可以用来保温，还可以用来隔热。耐力跑选手Xy Weiss在穿越死谷（Death Valley）的超长程马拉松（135英里）中使用了toast Feet鞋垫，据说在高达51°C的气温（可想而知路面温度有多高）里有效的保证的脚部的凉爽（评测点这里）。

此外，Ploarwrap也生产Aerogel填充的坐垫（Seatpad）。

说完了鞋垫，说说鞋吧。相信大家都记得Vasque在07年推出了使用Aerogel作为保温材料的高山靴Radiator。除了炫目的BOA鞋带系统之外，这双鞋最大的特点就是2mm厚的气凝胶保温层了。当然，使用的仍然是Aspen System的Pyrogel 2250。Radiator里全方位的使用了气凝胶保温层，包括鞋垫、鞋尖、鞋面、鞋跟和踝部。但是坦率的说，如果这双鞋不是使用不那么让人放心的BOA鞋带系统的话，相信销量要比现在更好些。

至于使用气凝胶的防潮垫，大家最熟悉的可能就是Pacific Outdoor Equipment出品的Hyper High Mtn这一款售价高达146US$的天价产品。这是一款超级复合垫，除了使用EVA作为基材，在背、臀部复合自充气垫以提高舒适度和保温性之外，在背部和足部还使用了Aerogel材料（同样是Aspen System的产品）来进一步增添其保温性。据厂方说，其背部和足部的R值达到了惊人的20！

这里有关于Hyper High Mtn的几篇使用测试报告，甚至有使用者自己做的非常细致的热绝缘性能测试数据和图表。总的来说，大家对它的隔热性能表示满意（虽然对标称20的R-Value表示怀疑），但是体积太大，实在是个问题。

Aspen System还和Slumberjack合作为军方设计了一款轻量化睡眠系统，也是采用类似的方式，在头、背、臀、足的位置使用spaceLoft材料来增强其保温性能。其中气凝胶保温片是采用可拆卸的方式。相关信息请看这里。

至于服装方面，2006年Pierre Mielcarek 和 Philippe Remeniéras穿着气凝胶材料填充的外套攀登了勃朗峰（Mt. Blanc），但是品牌不详，我怀疑可能是Aspen System的定制产品。再就是在第二节里提到过的Hugo Boss的产品。

或许你会觉得可惜，这么好的材料，怎么只有这么几家厂商，在屈指可数的几样产品里使用？

第五节，神话与误区（终章）

琐琐碎碎说了这许多，相信大家对气凝胶的印象也从一开始的激动与惊奇变得有些迷茫了。这样一种“神奇”的材料，为什么迄今没有在户外装备里得到广泛应用？还是我们对它的认识，存在着什么样的误区？

我们需要明白的是，实验室状态的“纯”气凝胶，和实际工业使用的气凝胶制成品（通常以保温毯的形式——Aerogel Blanket）是有着非常大的区别的。

就是这样的一个变化，带来的是在保温性能下降20%的前提下，密度增加了50倍以上！虽然这使得气凝胶材料可以方便的加工、可以弯曲和清洗、应用范围也更加的广泛，但是气凝胶的重要优势——低密度，丧失殆尽。剩下的只有良好的保温性了。再加上气凝胶难于压缩，在某些情况下虽然这是优点，但这也就使得，气凝胶材料在户外装备中大多数需要用得保温材料的场合，比如服装、睡袋等方面，和羽绒、纤维棉相比毫无竞争力可言。而在防潮垫方面，相比填充羽绒的充气垫，也不是很有优势。当然，不用充气，不担心被扎破等等也是优点，所以目前使用气凝胶产品的防潮垫主要面向的也是冬季高山环境。

气凝胶仍然是一种新材料，其生产工艺、产业应用还在不断的探索之中，或许气凝胶还有更多更合适的户外应用，只是我们没有想到而已。然而我更期待的是，在不久的将来，能够有物理性能接近于“纯”气凝胶的低成本、易加工的气凝胶隔热材料面世，我们的户外装备能为此变得更轻、更保暖、更便宜。（全文完）

参考文献：

http://www.aerogel.com/

http://en.wikipedia.org/wiki/Aerogel

http://aerogel.nmcnetlink.com/aerogel-cost-manufacturability.html

http://www.popularmechanics.com/outdoors/adventures/1278156.html?page=3

http://homepages.cae.wisc.edu/~aerogel/aboutaerogel.html

http://www.backpackgeartest.org/reviews/Sleep%20Gear/Pads%20and%20Air%20Mattresses/POE%20Hyper%20High%20Mountain%20Sleeping%20Pad/

http://www.polarwrap.com/index.aspx?pid=19