氣凝膠材料的研究及其在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力

摘要：

工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)致力于為人們的生活帶來便利和美。材料是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的物質(zhì)條件。設(shè)計(jì)師對材料的合理選擇是提供一切好的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。對于任何新材料的發(fā)現(xiàn)和合理應(yīng)用都是令人興奮和激動(dòng)的，它將會(huì)刺激更多的設(shè)計(jì)可能性。氣凝膠就是一種可以令設(shè)計(jì)師激動(dòng)的新型材料，它是一種充滿氣體的凝膠狀態(tài)，是目前已知的最輕的固體材料之一，它所具有的輕質(zhì)、隔熱、絕緣、高強(qiáng)度等實(shí)用性能以及它半透明呈色的美學(xué)性能使它在設(shè)計(jì)上具有很大的應(yīng)用潛力。目前設(shè)計(jì)圈對該材料的了解不太多，其優(yōu)良性能和應(yīng)用尚未得到充分發(fā)揮。本文對該材料的性能特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)應(yīng)用，尤其是在飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)上的應(yīng)用潛力進(jìn)行了較詳細(xì)的論述，有助于讓設(shè)計(jì)界的人們了解這種新材料，為設(shè)計(jì)行業(yè)注入新思路。

關(guān)鍵詞：

氣凝膠 材料 設(shè)計(jì) 飛機(jī)內(nèi)飾 CMF

1.概述

氣凝膠（aerogel）是一種充滿氣體的凝膠狀態(tài)，因凝膠中液體被氣體所代替，因此它呈現(xiàn)出內(nèi)部填充氣體的固體形態(tài)，密度也因此非常小，成為迄今為止世界上已知的最輕固體材料之一。

除了氣凝膠質(zhì)量非常小的特征之外，還有很多吸引人的優(yōu)良性能。如它雖然是一種充滿氣體的固體物質(zhì)，但是卻有非常高的強(qiáng)度，可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力，堅(jiān)固耐用且絕緣能力好：溫度達(dá)到1200°時(shí)才會(huì)溶化，常被作為澆鑄用模具；氣凝膠在所有固體材料中熱導(dǎo)率最低，常用作保溫隔熱材料；尤其要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是它的呈色也在不斷產(chǎn)生新的效果。比如，因固體中的氣體而表現(xiàn)出一種透明或半透明的狀態(tài)，呈現(xiàn)出漂亮、神奇的淡藍(lán)色狀態(tài)。俗稱“藍(lán)煙”，如圖1所示?，F(xiàn)在一些科研單位已經(jīng)研制出除淡藍(lán)色之外的其他鮮艷顏色，有紅色、淡紫色等，如四川科寧泰科技有限公司所研制出的彩色氣凝膠立方體。這些特殊呈色與狀態(tài)使這種材料充滿神秘高貴的氣質(zhì)，引發(fā)設(shè)計(jì)師無限的創(chuàng)作空間。

氣凝膠的使用形式可分為塊狀、薄膜和涂層三種狀態(tài)，并分別使用在不同環(huán)境中。按照微觀組成成分的不同又可分為有機(jī)氣凝膠和無機(jī)氣凝膠兩種。一般常見的無機(jī)氣凝膠為硅氣凝膠，主要成分為二氧化硅。有機(jī)氣凝膠的基體為高分子材料，比無機(jī)氣凝膠具有更強(qiáng)的紅外吸收能力和更低的輻射熱導(dǎo)率。有機(jī)氣凝膠與無機(jī)氣凝膠都是電的絕緣體，但有機(jī)氣凝膠經(jīng)過炭化以后得到炭氣凝膠是唯一具有導(dǎo)電性的氣凝膠。

2.氣凝膠的現(xiàn)有應(yīng)用

2.1氣凝膠在工業(yè)化領(lǐng)域中的應(yīng)用

氣凝膠以其獨(dú)特的性能特點(diǎn)對先進(jìn)工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制作帶來了全面的革新。氣凝膠以板、氈、顆粒等多種形式在大型工業(yè)化設(shè)備中獲得廣泛應(yīng)用。如在輸熱管道方面，利用該材料的高保溫性能以氈的形式襄附在管道外來減少熱量損失，如圖3所示。也有以涂料的形式在保溫保冷和隔熱方面發(fā)揮作用。在國外，氣凝膠早已用于屋頂?shù)奶柲芗療崞?，以大大提高集熱器效率，有效降低蓋板與吸熱板及周圍環(huán)境的熱損失，如圖4所示。

建筑上，氣凝膠被用在內(nèi)外墻，屋頂，地板，玻璃窗戶等部位，可以達(dá)到整體保溫隔熱的效果，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，如圖5所示。氣凝膠材料的使用可以滿足使墻體變薄，房屋的凈空增加，占地變小的要求。

2.2氣凝膠在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

氣凝膠的超輕和隔熱特性使其在航空、航天領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢。氣凝膠可以作為飛機(jī)機(jī)艙的隔熱層材料，可作為核潛艇、蒸汽動(dòng)力導(dǎo)彈驅(qū)逐艦的核反應(yīng)堆、蒸發(fā)器、鍋爐以及復(fù)雜的高溫蒸汽管路系統(tǒng)的高效隔熱材料，使隔熱效果增強(qiáng)，降低艙內(nèi)的溫度同時(shí)有效降低隔熱材料的用量，增大艙內(nèi)的使用空間有效改善各種工作環(huán)境。

2.3氣凝膠在民用產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用

除了大量應(yīng)用在工業(yè)和航空航天領(lǐng)域，氣凝膠也逐漸在民用產(chǎn)品上面獲得應(yīng)用。如，在睡袋，登山鞋，耐寒帳篷，防護(hù)服的設(shè)計(jì)制作上，使用氣凝膠材料將會(huì)更具有保溫性能和更少的厚度及重量，也具有更大的設(shè)計(jì)空間。優(yōu)越的性能，優(yōu)良的疏水性也賦予了戶外環(huán)境更好的適應(yīng)性。

隨著氣凝膠材料的深入研究和更新?lián)Q代，其在服飾、體育用品等更生活化的產(chǎn)品中應(yīng)用潛力也不可忽視，如圖6所示。美國的Dunlop體育器材公司已成功研發(fā)了含有氣凝膠的網(wǎng)球拍，這種網(wǎng)球拍擊球的能力得到明顯提高，如圖7所示。

氣凝膠還被應(yīng)用到護(hù)膚品當(dāng)中，如科顏氏男士清爽凈致保濕乳液采用Aerolite Technology氣凝凈膚科技材質(zhì)，以氣凝膠技術(shù)為基礎(chǔ)，用來吸附肌膚多余油脂，去除泛油現(xiàn)象，以保證能夠持續(xù)吸收面部油脂和汗液，令肌膚呈現(xiàn)清爽無油的啞光質(zhì)感。

氣凝膠應(yīng)用更加平民化意味著該材料的研制技術(shù)更加先進(jìn)，制備過程越來越完善，也意味著制作成本也會(huì)逐漸降低，更能拓展其材料的使用范圍和能力。為新的設(shè)計(jì)創(chuàng)意提供了更廣闊的空間。

3.氣凝膠材料在飛機(jī)內(nèi)飾中的設(shè)計(jì)應(yīng)用拓展

3.1飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)的重要性和發(fā)展?jié)摿?/p>

飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)沒有約定俗成的定義，作者的理解是，飛機(jī)艙內(nèi)整體和局部在空間布局，色彩材料和表面處理（CMF）以及照明方面的裝飾設(shè)計(jì)，以達(dá)到機(jī)上人員在功能，美學(xué)，情緒各個(gè)方面最可靠和最舒適的感受。在安全性和功能性得到滿足以后，飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)的美學(xué)性和宜人眭被逐漸提到日程上，許多飛機(jī)制造商和運(yùn)營商都開始將內(nèi)飾設(shè)計(jì)作為宣傳的重點(diǎn)。荷蘭油漆涂料供應(yīng)商阿克蘇諾貝也在致力于更個(gè)性化，更有品質(zhì)的飛機(jī)艙內(nèi)色彩設(shè)計(jì)。中國民航機(jī)隊(duì)未來20年也將達(dá)到如今規(guī)模的3倍，成為全球第二大航空市場，用戶對于民用飛機(jī)內(nèi)飾的設(shè)計(jì)及體驗(yàn)要求也大幅提高。在這樣的背景下，對于飛機(jī)內(nèi)飾的設(shè)計(jì)加強(qiáng)將從色彩、材料和表面處理等方面來全面提升機(jī)艙整體品質(zhì)，同時(shí)飛機(jī)內(nèi)飾也是影響用戶的使用體驗(yàn)和感受最直觀的媒介。研究表明材質(zhì)和表面肌理都會(huì)讓乘客感受到視覺記憶、環(huán)境情感和美的享受、乘坐體驗(yàn)，這些都能增加飛機(jī)自身的附加價(jià)值，讓飛機(jī)本身更具有市場競爭力。

3.2氣凝膠對于內(nèi)飾設(shè)計(jì)的適宜性

航空內(nèi)飾材料在功能上最基本的是要滿足適航性要求，按照民航標(biāo)準(zhǔn)FAR25部的規(guī)范，其中最重要的包括使用材料必須符合阻燃，無煙，無毒的要求。如果內(nèi)飾材料是能夠阻燃、低煙、低熱釋放時(shí)將可以大大提高乘客在著火事件中的生存率。氣凝膠除滿足阻燃，無煙，無毒的基本要求以外，還具有質(zhì)輕，隔熱、隔音、絕緣等其他優(yōu)異性能，因而作為內(nèi)飾的應(yīng)用在功能上說是合適的。當(dāng)然，它需要通過設(shè)計(jì)創(chuàng)意，和其他材料在形式上進(jìn)行合適的搭配與組合。

3.3氣凝膠在飛機(jī)艙內(nèi)天頂設(shè)計(jì)的可能性

在飛機(jī)客艙中天頂面積占據(jù)艙內(nèi)空間的近1/3，對于整個(gè)氛圍打造起著非常重要的作用。目前飛機(jī)制造商和運(yùn)營商在內(nèi)飾上的創(chuàng)新集中表現(xiàn)在更符合人機(jī)的座椅、更具空間感的行李架、更有個(gè)性的面料或圖案、更開闊的窗口視野等方面，而對于艙內(nèi)天頂?shù)脑O(shè)計(jì)改變其力度比較小，呈現(xiàn)出的式樣比較單一。目前，只有在波音787的夢想飛機(jī)中，天頂?shù)某尸F(xiàn)出現(xiàn)較有新意的模擬天空設(shè)計(jì)。氣凝膠材料可以很好地契合天頂?shù)膽?yīng)用，對于更好的艙內(nèi)氛圍改造表現(xiàn)出很好的可實(shí)現(xiàn)性。氣凝膠材料的輕質(zhì)性，使用在天頂?shù)脑O(shè)計(jì)中，無疑大大降低了飛機(jī)的重量，從而節(jié)省航空油；氣凝膠材料的隔熱性，有效地起到艙內(nèi)溫度的保溫；氣凝膠材料的視覺半透明性，將會(huì)為設(shè)計(jì)引發(fā)無限想象，為乘客打造夢幻的天頂效果，通過天頂?shù)脑O(shè)計(jì)渲染出別樣的艙內(nèi)環(huán)境。氣凝膠和燈光的配合能夠打造出與眾不同的效果，其鮮艷或朦朧的呈色效果也可使這個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)更加令人憧憬。具體應(yīng)用的方式可以是氣凝膠與其他材料相結(jié)合。在結(jié)構(gòu)上可以采用透疊，鏤空，鑲嵌等多種方式。

3.4氣凝膠在飛機(jī)艙內(nèi)廚房空間設(shè)計(jì)的可能性

氣凝膠這種新型材料還可以被使用到飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)的很多地方，例如飛機(jī)艙內(nèi)廚房的設(shè)計(jì)等。廚房內(nèi)的空間有被分成許多格子的儲(chǔ)物柜來存放食物飲料，還有許多格分別來放置熱水壺、烤箱、推車、垃圾箱、送餐車等，同時(shí)這個(gè)小空間除了儲(chǔ)存功能還要連接到飛機(jī)的通風(fēng)、電源、飲用水和污水系統(tǒng)，提供相關(guān)的水合電源方面的需求。如果在儲(chǔ)物柜的設(shè)計(jì)上使用氣凝膠材料填充將會(huì)有效地起到保溫隔熱的效果，使食物飲料保持最佳口感，使用氣凝膠涂層又能發(fā)揮材料疏水阻燃和吸油的性能，從而方便廚房的清潔和降低安全隱患。試想如果將每一個(gè)儲(chǔ)物格子的門都采用氣凝膠透明材料填充設(shè)計(jì)，直觀可視，將更能方便乘務(wù)人員拿取食物了。送餐車的食物儲(chǔ)存隔板也可以采用氣凝膠材料設(shè)計(jì)，可以降低推車重量，減小推力。

3.5氣凝膠在飛機(jī)艙內(nèi)衛(wèi)生間設(shè)計(jì)的可能性

飛機(jī)機(jī)艙的衛(wèi)生間是一個(gè)很小的私密空間，安全性能同樣在這個(gè)小空間有非常高的標(biāo)準(zhǔn)。但是，衛(wèi)生間整體設(shè)計(jì)為用戶帶來的體驗(yàn)也是提升用戶乘坐體驗(yàn)感受的重要方面。目前機(jī)上衛(wèi)生間在視覺上給人的感覺總是很狹窄，顯得壓抑。如果這個(gè)小空間將氣凝膠材料引入，半透明的材質(zhì)配合色彩與燈光的變化，來呈現(xiàn)較為活躍和豐富的氣氛，從而提高用戶的乘坐體驗(yàn)，也是有很大的設(shè)想空間的。

作者所想到的可以在飛機(jī)內(nèi)飾中使用氣凝膠的區(qū)域大致有以下幾處，如圖8中所示區(qū)域。

當(dāng)然每一個(gè)小空間里，都需要做好防水，防污，防電防潮等工作。氣凝膠除合適的滿足了實(shí)用性的功能需求外，又因其質(zhì)輕的突出特點(diǎn)，能夠節(jié)省整體重量，節(jié)省燃油，節(jié)約成本；同時(shí)用于艙內(nèi)內(nèi)飾設(shè)計(jì)是一次性投入，從長遠(yuǎn)來看，也可以節(jié)約成本。

4.氣凝膠材料設(shè)計(jì)創(chuàng)新的機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)

氣凝膠材料的創(chuàng)新機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是性能的優(yōu)化；二是成本的降低：三是設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。雖然氣凝膠材料以其獨(dú)特的性能特點(diǎn)開辟了設(shè)計(jì)應(yīng)用的新視野，然而大多數(shù)研制出的氣凝膠材料仍然具有一些缺點(diǎn)，比如說質(zhì)脆、韌性小、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，以及成本高，極大地限制了其發(fā)展和應(yīng)用。為了以更低的成本得到更純凈的，更高性能的氣凝膠材料還需要嚴(yán)格，高標(biāo)準(zhǔn)的制備過程。相信隨著技術(shù)的進(jìn)一步提高，優(yōu)質(zhì)的氣凝膠材料將會(huì)越來越容易制備出來，這也將會(huì)推動(dòng)該材料的大范圍推廣更加商業(yè)化。氣凝膠材料的現(xiàn)有應(yīng)用局限于制造領(lǐng)域，并沒有與設(shè)計(jì)相結(jié)合，縱觀現(xiàn)有對氣凝膠材料的應(yīng)用，幾乎所有產(chǎn)品都是應(yīng)用這種材料的強(qiáng)大功能，密度低、質(zhì)量輕；保溫隔熱；阻燃；絕緣等，但并沒有注重優(yōu)化氣凝膠的感覺性能（如色彩、質(zhì)感等）并與實(shí)用功能進(jìn)行完美匹配和結(jié)合。目前大多以氈、板的形式設(shè)置在夾層位置，起到良好的功能作用，而其視覺上的美觀性并不突出盡管大部分情況下不需要外露。雖然這一點(diǎn)很大程度上還是受到本身材料在制備上的困難，但在其他的應(yīng)用場合下，需要更多創(chuàng)意的融入，共同推進(jìn)材料的開發(fā)。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，能夠更好地供設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)使用的氣凝膠材料會(huì)很快出現(xiàn)。

結(jié)語

材料是工業(yè)設(shè)計(jì)的支撐，為設(shè)計(jì)創(chuàng)新提供源源不斷的動(dòng)力。對于氣凝膠的研究還在不斷深入，從制備到生產(chǎn)使用，從微觀到宏觀，涵蓋了生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，更深入的研究結(jié)果將會(huì)換來更成熟的材料應(yīng)用。氣凝膠在航天航空方面顯示了優(yōu)越的應(yīng)用潛力，但在具體應(yīng)用上還有待于設(shè)計(jì)師們更多的創(chuàng)意。期待氣凝膠的制備技術(shù)進(jìn)一步成熟，使得材料成本大大降低，以降低在更多產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域中被引入的門檻，為人們的生活提供方便和更佳的體驗(yàn)。