新型高速航天飞行器的不断发展对耐高温、轻质、高效隔热材料提出了迫切需求，炭气凝胶因其纳米尺度孔隙和颗粒链结构，不仅具有传统气凝胶的低密度、高孔隙率、高比表面积及低热导率等优异的特性，还具有耐超高温（惰性气氛）、高红外比消光系数等优点，使其在作为隔热材料应用于超高温部位热防护具有显著优势。本文首先基于热传导理论，分别从气凝胶密度和微观结构（孔径、粒径）等方面阐述了炭气凝胶隔热性能的研究现状，然后综述了近年来国内外炭气凝胶隔热材料制备工艺及性能优化的研究进展，主要包括力学性能增强、耐烧蚀/抗氧化、低成本化及超轻超弹四个方面，并对各方面存在的优缺点进行了总结。最后提出低成本、高性能炭气凝胶隔热材料的后续研究方向，并对其在民用及其他特殊领域的发展应用进行展望。

以L-赖氨酸为还原剂和交联剂, 采用一步水热法制备嵌入CdS纳米薄片（CdS NSs）的三维CdS/还原氧化石墨烯（CdS/rGO）复合气凝胶。结果表明：CdS/rGO复合气凝胶大的比表面积BET（Brunauer-Emmett-Teller, BET）和海绵状性质可增强对污染物的吸附, 且其质量轻可漂浮在水面上可增强对光的吸收, 同时rGO的引入促进了光生电荷的分离, 使该复合气凝胶的光催化性能得到明显提升。在可见光照射下, CdS/rGO复合气凝胶可以在45 min内将盐酸四环素（tetracycline hydrochloride, TC）完全降解, 1.5 h后几乎所有TC都已经矿化。此外, CdS/rGO复合气凝胶还显示出高稳定性并且容易从反应体系中分离出来, 进行回收循环使用。经过5次循环使用后, CdS/rGO复合气凝胶的光催化活性没有明显降低。

气凝胶/纤维复合材料因具有高孔隙率、低体积密度、高比表面积、低热导率等优点，在航空航天、国防军工、环境治理、生物医药等领域展现出广泛的应用前景。本文综述了气凝胶/纤维复合材料的热学和力学性能以及界面相容性，介绍了传热机制，力学性能增强机制以及界面相容性黏合机制，考虑到不同纤维的体积分数和纤维的多尺度即不同纤维直径（长径比）和纤维之间的孔隙直径，总结了不同纤维嵌入对复合材料最终性能的影响。最后，针对气凝胶/纤维复合材料的耐热性、改善力学性能以及材料界面结合等提出未来的研究方向。

废水中重金属离子污染对人类健康造成了严重危害，吸附法因其高效经济、选择性好等优势备受关注。SiO₂气凝胶具有高比表面积（>500 m²/g）、高孔隙率（>80%）、可控的表面基团及稳定的物理化学性质等特点，是一种具有潜力的重金属离子吸附剂。本文首先简述了SiO₂气凝胶的制备及其对微观结构的影响研究进展，重点综述了SiO₂气凝胶官能化方法及其吸附废水中重金属离子的吸附性能和影响因素，并分析了其吸附机理和吸附动力学过程，指出了实现SiO₂气凝胶低成本短流程的可控制备、有效官能化及高效吸附多种重金属离子是未来的发展方向。

采用天然巴沙木作为原材料，进行选择性刻蚀，得到三维层状结构的木头海绵。以木头海绵为模板，在负载一定比例的还原氧化石墨烯（rGO）与石墨烯纳米片（GNP）后，通过真空浸渍的方法与环氧树脂复合并固化，制备得到石墨烯-木头海绵（G-WS）/环氧树脂复合材料。结果表明：采用真空浸渍的方法，能够成功使氧化石墨烯（GO）在水热还原的同时，带动GNP负载到木头海绵表面，同时GO被还原成为rGO，经过与环氧树脂复合后，在环氧树脂内部，G-WS仍然保持良好的三维结构，这种取向分层结构使复合材料具有导热的各向异性，三维连通的结构也为良好的热导率奠定了基础。当填料质量分数为1.45%时，沿取向结构方向的热导率能够达到1.59 W·m^-1·K^-1，相比于纯环氧树脂而言，热导率提升率高达457%。同时由于木头海绵内部层状的结构，赋予了G-WS良好的压缩回弹性能，能够实现80%压缩以及40%形变压缩，循环100次但不发生明显形变。

为了改善g-C₃N₄光催化还原CO₂过程中的气体传质、吸附和光生电荷分离效率, 分别从泡沫孔结构构筑和构建异质结两方面进行光催化材料设计。采用表面活性剂发泡法制备g-C₃N₄泡沫(g-C₃N₄ Foam), 以此为基体通过化学镀铜和氢氧化处理制备g-C₃N₄泡沫负载Cu(OH)₂纳米片(Cu(OH)₂/CNF)复合材料, 对其结构和光催化性能进行分析。结果表明: g-C₃N₄ Foam和Cu(OH)₂/CNF均展现出发达的三维微米孔网络结构, 这种结构可从动力学层面优化CO₂在气-固催化反应中的传质和吸附, 使CO₂吸附容量分别达到3.97 cm³/g和3.59 cm³/g, 为g-C₃N₄粉末的2.96倍和2.68倍; 同时, Cu(OH)₂/CNF样品中还形成大量二维Cu(OH)₂纳米片结构, 不仅可以拓宽复合材料的光利用范围, 还可通过g-C₃N₄/Cu(OH)₂异质结的构建促进光生电子向Cu(OH)₂表面转移, 提升光生电荷分离效率; 制备的Cu(OH)₂/CNF复合样品CO产率达到11.041 μmol·g^-1·h^-1, 为g-C₃N₄ Foam和g-C₃N₄粉末样品的2.76倍和6.83倍。

以氧化石墨(GO)为主要原料，并引入高分子羧甲基纤维素(CMC)，采用水热还原结合冰模板的方法，经常压干燥和疏水改性，制备石墨烯-羧甲基纤维素复合气凝胶(HGA/CMC)。通过SEM、FT-IR、XPS、电子万能试验机等手段对该气凝胶进行表征，证明了GO与CMC的有效复合和疏水改性的成功。将HGA/CMC用于油品吸附，结果表明：HGA/CMC可利用其丰富的孔道结构吸附纯油品，对油品的吸附量在70.28~172.78 g·g^-1，且油品密度越大，单位质量气凝胶可吸附的油品质量越大。此外HGA/CMC能选择性地吸附水上浮油、水底重油并高效分离水中乳化油，且通过机械挤压可实现HGA/CMC的循环再生利用，10次挤压再生后其吸附量仅损失15%，是具有应用潜力的含油污水治理材料。

以SiO₂气凝胶为支撑材料，通过物理吸附法制备定形SiO₂气凝胶基复合相变材料(PCCs)，再利用密封盒进行二次封装。探究SiO₂气凝胶与相变材料的最佳配比，并对复合相变材料的微观结构、化学成分、孔结构、相变特性、热可靠性、定形能力和隔热性能进行表征。结果表明：含有质量分数为80%相变材料的SiO₂气凝胶复合相变材料(LS-80)具有最佳吸附比，并且在相变过程中显示了良好的定形能力，其熔点和熔融潜热分别为-15.6 ℃和170.2 J/g；同时SiO₂气凝胶的成功吸附使得LS-80的比表面积、孔径和孔容大小下降至59 m²/g, 13 nm和0.2 cm³/g；20次冷热循环后，封装后相变材料的相变潜热减少了13.4%，而SL-80只减少了2.8%，表现出良好的热可靠性能；SiO₂气凝胶的添加使得复合相变材料导热系数降低，隔热能力增强。该结果为SiO₂气凝胶复合相变材料在冷链物流领域的应用提供了实验依据。

对莫来石纤维增强SiO₂气凝胶复合材料开展面外方向单轴压缩实验，研究不同极限应变、热暴露温度对压缩回弹行为与变形恢复能力的影响，基于微观结构形貌变化阐释内在机制，对加载和卸载阶段的变形行为建立唯像力学模型。结果表明：莫来石纤维增强SiO₂气凝胶复合材料的压缩回弹行为呈现非线性特征，极限应变越大，变形恢复能力越差；高温热暴露预处理会对压缩回弹性能产生影响，热暴露温度越高，变形恢复能力越差，基体颗粒-团簇结构的聚集、大尺寸孔洞的形成和塌陷是主要原因；所建立的唯像力学模型可以用来描述材料在压缩加载-卸载时的应力-应变曲线，拟合结果与实验数据吻合较好。

通过三步法及真空辅助浸渍的方法制备了石墨烯-吡咯气凝胶/环氧树脂复合材料, 该复合材料质轻并且内部的多孔石墨烯-吡咯气凝胶具有较为均一的三维结构, 在与环氧树脂复合之后, 这种三维结构也能很好地保留。石墨烯的三维网络为电子传导提供了快速通道, 使材料的导电性能显著提高, 仅有0.23%(质量分数)填料含量的石墨烯-吡咯气凝胶/环氧树脂复合材料(1G-1%P, 1300 ℃) 的电导率可以达到67.1 S/m。石墨烯-吡咯气凝胶/环氧树脂复合材料(1G-1% P, 1300 ℃)的电磁屏蔽性能在8~12 GHz可以达到33 dB, 更重要的是石墨烯-吡咯气凝胶骨架还起到了增强环氧树脂基体力学性能的作用, 弯曲强度和弯曲模量与环氧树脂基体相比分别提高了60.93%和25.98%(10G-5%P, 180 ℃), 石墨烯-吡咯气凝胶的三维结构可以有效地改善材料整体的电磁屏蔽性能以及力学性能。

以4, 4'-二氨基二苯醚(ODA)、均苯四甲酸二酐(PMDA)为单体, 酸化碳纳米纤维(a-CNF)为增强材料, 采用溶胶-凝胶方式成型, 运用冷冻干燥技术制备PI复合气凝胶。对复合气凝胶的形貌、隔热、吸波以及压缩性能等进行表征分析。研究结果表明: 随着a-CNF含量的增加, PI复合气凝胶的收缩率从45.52%降至35.32%, 密度也随之从0.084 g/cm³降至0.069 g/cm³, 气凝胶孔洞分布呈增大增宽趋势。a-CNF的引入有效抑制了PI复合气凝胶的收缩率, 热导率降低; 整个体系的导电损耗增加, 同时由于气凝胶的多孔结构提供了较好的阻抗匹配, 使得PI复合气凝胶的反射损耗(RL)在8.3 GHz达到-9.7 dB。加入质量分数为15%的CNF/PI复合气凝胶压缩强度和压缩模量分别是纯PI气凝胶的近1.5倍和2倍。