二氧化硅气凝胶的研究现状与应用(综述)
二氧化硅气凝胶隔热材料
二氧化硅气凝胶隔热材料一、隔热原理具体来说，当热能传递到气凝胶中时，由于气凝胶表面的气体分子很容易被热激活，因此能够承载和传输热能。
当热能传递到气凝胶内部时，由于气凝胶的高度开放孔隙结构和大比表面积，使得热能非常难以通过气凝胶传导到另一侧，因此形成了极低的热传导度。
二、特点1.优异的隔热性能：二氧化硅气凝胶的热传导率极低，是传统隔热材料的数十分之一，能够有效减少热传导并实现优异的隔热效果。
2. 轻质：气凝胶的密度通常在0.05-0.6g/cm³之间，比水还轻，因此具有优秀的轻质特点，方便运输和施工。
3.耐高温：气凝胶的使用温度范围广，能够在-200℃至800℃的高温环境下保持稳定性能。
4.灭火性能好：气凝胶不燃烧，不会产生毒气，具有优秀的阻燃性能。
5.耐老化：气凝胶具有良好的耐候性和耐光性，长期使用不会出现老化和褪色现象。
6.环保健康：气凝胶不含有害物质，符合环保标准，对人体无害。
三、应用1.建筑领域：气凝胶在建筑隔热材料中得到广泛应用，能够有效减少建筑物的能耗，提高建筑的节能性能。
2.航空航天领域：气凝胶因其优异的隔热性能和轻质特点，被应用于航空航天领域，用于隔热保护航天器和飞行器。
3.汽车领域：气凝胶用于汽车隔热材料能够有效减少车内温度，提高车辆空调的效率，提升驾驶舒适度。
4.工业领域：气凝胶在工业设备和管道的隔热保护中也有广泛应用，可减少能量消耗和热损失。
综上所述，二氧化硅气凝胶作为一种新型的隔热材料，具有优异的隔热性能和轻质特点，广泛应用于建筑、航空航天、汽车等领域，为各行业节能减排和提升产品性能提供了有力支持。
随着技术的不断发展和完善，气凝胶的应用前景将更加广阔。
国内外气凝胶发展现状
国内外气凝胶发展现状气凝胶是一种具有多孔结构和极低密度的功能性材料，因其独特的物理和化学性质在各个领域都有着广泛应用。
近年来，随着人们对新型材料需求的增加，气凝胶在国内外的研究与发展也日益受到重视。
一、气凝胶的定义和特点气凝胶是一种由高度交联的凝胶组成的多孔材料，其孔隙结构可调控，并且具有极低密度和良好的绝热性能。
这些特点使得气凝胶成为一种独特的新型材料，被广泛应用于隔热隔音、吸附分离、催化剂载体等领域。
二、国内气凝胶研究现状在我国，气凝胶的研究起步较晚，但近年来取得了显著进展。
许多高校和科研机构开展了气凝胶的制备和应用研究，为我国气凝胶产业的发展奠定了基础。
目前，国内研究重点主要集中在气凝胶的制备方法、性能调控以及应用领域拓展等方面。
1. 气凝胶制备方法目前，国内气凝胶的制备方法主要包括溶胶-凝胶法、超临界干燥法、溶胶凝胶法等。
这些方法的不断改进和优化，使得气凝胶的制备更加简便高效，并且可以调控气凝胶的孔隙结构和物理性能，满足不同领域的需求。
2. 气凝胶性能调控近年来，国内研究人员通过改变气凝胶的成分、控制热处理条件等手段，成功调控了气凝胶的力学性能、绝热性能、吸附性能等重要性能。
这些研究成果为气凝胶在航空航天、建筑节能等领域的应用提供了有力支撑。
3. 气凝胶应用领域拓展除了传统的隔热隔音领域，国内研究人员还开展了气凝胶在光学、催化剂载体等领域的应用研究。
例如，石墨烯气凝胶的制备与性能研究、金属氧化物气凝胶的催化性能等方面均取得了显著成果。
三、国外气凝胶研究现状相较于国内，国外气凝胶的研究历史更为悠久，研究水平也更加成熟。
欧美国家在气凝胶的制备方法、性能表征、应用拓展等方面取得了一系列重要进展，并且在多个领域有着广泛的应用。
1. 气凝胶的制备方法国外研究人员将超临界干燥、溶胶-凝胶等方法应用于气凝胶的制备中，并通过“模板法”、“超分子自组装”等手段实现了气凝胶的结构调控。
这些研究方法为气凝胶的精密制备和应用提供了重要技术支持。
二氧化硅气凝胶材料的研究进展
二氧化硅气凝胶材料的研究进展作者：秦慧元来源：《科协论坛·下半月》2013年第01期摘要：二氧化硅气凝胶是一种结构可控的新型轻质纳米多孔性非晶固态材料，被称作“蓝烟”、“固体烟”，是目前已知的最轻的固体材料，具有低密度、高孔隙率、高比表面积、低热导率、低光折射率等特点，在力学、声学、热学、光学等诸多方面显示出独特性质，被称为“改变世界的神奇材料”。
介绍二氧化硅气凝胶材料的发展历史、制备方法、性质和应用前景。
关键词：气凝胶二氧化硅纳米材料中图分类号：O646 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）001-040-041引言气凝胶通常是指以具有纳米量级微细颗粒相互聚集构成的纳米多孔网络结构，并在纳米量级的网络骨架中充满大量气态分散介质的轻质纳米固态材料。
其中SiO2气凝胶，最受关注，也是近年来研究最多的气凝胶。
与碳气凝胶、Al2O3和TiO2等其它气凝胶相比，SiO2气凝胶原材料来源丰富，制备工艺简单，可控性好；性能方面，SiO2气凝胶同时兼有玻璃的高透明性，聚苯乙烯、聚氨酯类有机高分子材料的低热导率特性以及炭黑材料的高比表面积等特性。
图1A展示了SiO2气凝胶材料的低密度特性，密度范围为0.004-0.5 g/cm3，最轻的SiO2气凝胶材料密度仅是空气的三倍；图1B 展示了SiO2气凝胶良好的绝热特性，2-3厘米厚的气凝胶可以把800℃的高温降至30℃。
SiO2气凝胶结构的特异性和优良的综合性能受到越来越多的关注，仅1990 年以来，美国《科学引文索引》收录的关于SiO2气凝胶文献就多达800多篇，美国第 250 期《科学》杂志更将其列为20世纪 90年代十大热门技术之一。
有望和前几代神奇产品，如：20世纪30年代的酚醛树脂、20世纪80年代的碳纤维和90年代的硅树脂相媲美，并被称为未来可能改变世界的材料。
2 SiO2气凝胶发展历史早在 20 世纪 30 年代初，美国的斯坦福大学 Kistle就已经通过水解水玻璃的方法制得了SiO2湿凝胶，并且尝试用空气来置换湿凝胶中的液体溶液。
纳米二氧化硅气凝胶新型制备技术及其在建材领域的应用
种结 构 可控 的纳米 多 孔轻质 材料 ，
它 具有纳米 结构 （ 孔洞 １ １０ ｍ， ～ ０ ｒ 骨 ｉ
圜
Ａ ｖｎ ｅ ｔｒ ｌＩｄｓｒ ｄ ａｃ ｄ ｅｉｓｎ ｕｔ Ｍａ ａ ｙ
团口圈圈
架 颗 粒 为 １～２ ｎ 、 面 积 大 （ ０ ｍ） 表 最 高 可 达 ８ ０～ １ ０ ｍ ） 孔 ｝ 高 ０ ０ ０ ／ｇ 、 同率 （ 高 达 ８ ％～９ ．％） 特 点 。 米 可 ０ ９８ 等 纳 Ｓｉ Ｏ 气凝 胶 独 特 的 结 构特 性 使 得 气
建 筑 耗 能在 人 类 整个 能 源 消耗 中 占 ３ ％ ～４ ％， 以建 筑节 能意义重 大 ， ０ ０ 所 建 筑 物使 用 保 温 隔 热材 料 是 节 约 能
工程所使用 的有机保 温材料本身 的材
公 通 字［０ ９４ 号 ２ ０ ］６ 民用 建 筑 外 保 温
料 性 能 不 能 满足 现 有 产 品标 准 的 阻 燃性 指标要 求 ， 尤其 是挤 塑 聚苯 乙烯 （ Ｓ） 温板 。 以 ，０ ７ 开 始 ， ＸＰ 保 所 ２０年 随 着有机材料 如膨胀型聚苯 乙烯 （ Ｓ ＥＰ ）
分重要 的意义 。
一
纳米＝氧化硅气凝胶的特性
纳米二氧化硅（ ｏ） ｓｉ 气凝 胶 是
目前 ， 建筑 外墙 外保 温 用保温 材 料仍 以有 机保 温材 料为 主 ， 防火 性 其 能较差 ， 存在很 大的安全 隐患 。 外保温
料 已成 为 引 发建 筑 火 灾 的一 个 重 要 诱 因 ， 此 ， 家公安 部 、 为 国 住房 和城 乡 建设部 于 ２ ０ 年 ９ ２ 联合 出台 了 ０ ９ 月 ５Ｅ ｔ
郭建平
教授 、 博士生导师 ， 固废资源化利用
二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和碳气凝胶
二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和碳气凝胶全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和碳气凝胶是当前市场上比较常见的四种气凝胶材料。
它们在吸附剂、催化剂、隔热材料、保温材料、光学材料等领域有着广泛的应用。
今天我们就来详细了解一下这四种气凝胶材料的特点和应用。
首先是二氧化硅气凝胶，它是目前应用最广泛的一种气凝胶材料。
二氧化硅气凝胶具有超大比表面积、高孔隙率和优异的吸附性能。
这种材料具有轻重、隔音、隔热等优点，适用于制作隔热材料、吸附剂等。
在建筑材料中，二氧化硅气凝胶也有广泛的应用，可以制作保温砖、隔热涂料等。
二氧化硅气凝胶还可以作为光学材料，在激光、红外、紫外等波段具有较好的透过性。
在光学成像、光学通信等领域也有着广泛的应用。
接下来是氧化铝气凝胶。
氧化铝气凝胶是一种非常轻质的气凝胶材料，具有疏水性和隔热性能。
由于其高纯度和孔隙结构特点，氧化铝气凝胶被广泛应用于高温隔热材料、火灾防护材料等领域。
氧化铝气凝胶还具有优异的吸声性能，因此在汽车、飞机等交通工具中也有着广泛的应用。
在电子元器件中，氧化铝气凝胶还可以作为捕捉器件和隔离材料使用。
最后是碳气凝胶。
碳气凝胶是一种具有微孔结构的碳材料，具有超大比表面积和孔隙率。
由于其具有优异的吸附性能和导电性能，碳气凝胶被广泛应用于电池、超级电容器、吸附剂等领域。
在环境保护领域，碳气凝胶还可以使用于有机废水处理、污染气体吸附等方面。
在催化剂制备中，碳气凝胶也有着广泛的应用，可以用于制备金属和半导体催化剂。
二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和碳气凝胶是四种具有独特特点和广泛应用领域的气凝胶材料。
它们在各个领域中都有着重要的应用价值，为我们的生活和科技发展提供了重要支持。
希望未来能够有更多的气凝胶材料问世，为人类社会带来更多的发展机遇。
【本文2004字】。
第二篇示例：气凝胶（aerogel）是一种具有微孔结构的固体材料，其空隙比表面积极高，吸附性能极强，是一种优秀的多功能材料。
二氧化硅气凝胶在保温隔热领域中的应用
二氧化硅气凝胶在保温隔热领域中的应用张德忠【摘要】Aerogel is a kind of synthetic porous material ,in which the liquid component of the gel is replaced with a gas .Aerogel has the translucent structure and remarkably lower thermal conductivity ( ≈ 0 .013 W/(m ・ K)) than the other commercial insulating materials .Therefore , it is considered as one of the most promising thermal insulating materials .Although current cost of aerogel still remains higher compared to the conventional insulation materials ,intensive efforts are made to reduce its manufacturing cost and hence enable it to become widespread all over the world .In this study ,a comprehensive review on SiO 2 aerogel and its utilization in the field of thermal insulation are presented .%二氧化硅（SiO2）气凝胶是通过使用气体来置换湿溶胶中的液体，从而得到一种结构可控的新型轻质纳米多孔固态材料．SiO2气凝胶材料与其他保温隔热材料相比，具有较低的导热系数（≈0．013 W／（m ・ K））和较高的透明性，在保温隔热领域中开发潜力巨大，有望替代传统的保温隔热材料．尽管气凝胶目前的成本高于传统的隔热材料，但是我们相信通过科学家和工程学家的不断努力，气凝胶的生产成本会被不断的降低，最终遍及世界各地．本文作者综述了 SiO2气凝胶材料在隔热领域的多种应用形式，介绍了目前国内外气凝胶公司研发产品情况以及实际应用案例．【期刊名称】《化学研究》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】8页(P120-127)【关键词】气凝胶;二氧化硅;溶胶-凝胶【作者】张德忠【作者单位】神华科技发展有限责任公司，北京 102211【正文语种】中文【中图分类】O646保温节能材料对于促进能源资源节约和合理利用，缓解我国能源资源供应与经济社会发展的矛盾，加快发展循环经济以及实现经济社会的可持续发展有着举足轻重的作用，是保障国家能源安全、保护环境、提高人民生活质量、贯彻落实科学发展观的一项重要举措．保温节能材料的研究与应用将推动我国节能、低碳技术以及绿色经济的发展．SiO2气凝胶材料是世界上最好的隔热(导热系数最低)固体材料之一，在常温和常压下导热系数可低至0．013 W/( m ·K)\［1\］．SiO2气凝胶不仅能够减少热能损失，而且环境友好，代表着未来保温隔热材料的发展方向．气凝胶材料属于国家工信部颁布的《新材料产业“十二五”发展规划》第六大项前沿新材料、新技术中的纳米材料领域，并且在《新材料产业“十二五”重点产品目录》中，SiO2气凝胶材料(编号330)被列为“十二五”期间重点发展的高新技术产品．1．1 SiO2气凝胶制备SiO2气凝胶的制备主要包含3个步骤．第一步是湿凝胶的制备．目前制备SiO2湿凝胶的主要方法是溶胶-凝胶法，其工艺根据原材料的不同分为两大类: 1)以正硅酸乙酯或正硅酸甲酯类为前驱体，通过水解和缩合反应形成三维网状结构的SiO2湿凝胶; 2)将硅酸钠通过离子交换树脂除去Na+，然后硅酸水解并聚合形成SiO2的湿凝胶;第二步是湿凝胶的老化．当SiO2溶胶达到凝胶点之后，SiO2凝胶网络结构中的硅骨架上仍然连接着大量的没有反应的烷氧基，需要继续发生水解和缩合反应，以增加SiO2凝胶网络结构的强度．通常在老化的过程中，会添加适量的反应单体，来增加SiO2凝胶的交联度．当老化完成后，需要用乙醇来冲洗凝胶，除去交联网络孔洞结构中残留的水份和未反应完全的单体材料;第三步是SiO2湿凝胶的干燥．湿凝胶的网络孔隙中充满的是反应后残余的液体试剂，要想获得孔隙中充满空气的气凝胶，还必须通过干燥将试剂蒸发出来，同时固体骨架应仍保持原有的网络多孔结构，这样便得到了低密度高孔隙率的气凝胶．避免湿凝胶在干燥过程中由于毛细管力产生的收缩塌陷的干燥方法主要有CO2超临界干燥、常压表面改性干燥和真空冷冻干燥．超临界干燥是最早被用来干燥湿凝胶制备气凝胶的干燥方法，也是目前商业化最常用的干燥方式．在超临界干燥过程中，液态CO2先置换掉凝胶网络孔洞中的有机溶剂，之后液态CO2逐渐从凝胶中排出\［2\］．虽然超临界方法是目前最通用的干燥气凝胶方法，但仍有一些局限性限制了它的推广应用，例如大型超临界设备的昂贵成本，过程控制以及高压反应下的安全问题．在20世纪90年代，BRINKER团队发展了一种逐渐商业化的常压表面改性干燥方法．他们通过一系列的溶剂交换以及用疏水基团替代羟基中的氢元素的表面改性方法来降低毛细管力，从而在常压下干燥获得SiO2气凝胶．常压法干燥通过溶剂交换以及表面改性减小了气凝胶孔洞的毛细管力，并且减弱凝胶骨架表面的相互反应活性，但是其并不能完全避免气/液界面的产生，所以在干燥过程中不能完全避免气凝胶的破裂，仅仅能够得到粉末或者碎块状的SiO2气凝胶．采用冷冻干燥制备气凝胶，凝胶孔洞中的液体被冷冻成固体，然后使其在真空的条件下升华．为了避免在冷冻过程中孔洞中溶剂由于结晶固化，破坏凝胶网络的骨架结构，真空冷冻干燥之前必须加长老化时间以增强骨架强度，并且要使用低膨胀系数和具有高升华压力的溶剂来置换出孔洞中的乙醇(或甲醇)溶剂．冷冻干燥过程中需要使用冷冻干燥室、制冷系统和真空装置，成本较高，并且干燥操作周期长，只能得到粉末状的凝胶粉末，不适宜规模化的工业生产，目前很少有报到通过此方法得到性能良好的气凝胶．1．2 SiO2气凝胶产品以及具体应用形式SiO2气凝胶目前在保温隔热领域的主要应用产品形式有4种\［3－6\］: 1)气凝胶粉体或颗粒; 2)气凝胶毡; 3)气凝胶板; 4)气凝胶玻璃．本节分别对这4种形式的产品逐一进行介绍．1．2．1气凝胶粉体或颗粒SiO2气凝胶粉体的制备方法非常成熟，也是最早工业化、商业化的气凝胶产品之一．气凝胶粉体制备方法主要有两种: 1)通过超临界方法制备大块状的气凝胶，然后通过不同的破碎方法，制备不同粒径的气凝胶粉体材料; 2)通过常压干燥成型的方法制备气凝胶粉体材料．SiO2气凝胶粉体几乎各大气凝胶生产商都有出售．例如，国内纳诺高科目前就有气凝胶粉体和颗粒在售，粒径为0．5～5 mm，比表面积600～1 000 m2/g，使用温度在－50～650℃．由于气凝胶粉体材料不易成型，SiO2气凝胶粉末一般不单独作为保温隔热材料使用．但是它可以作为功能结构材料的夹层，填充层使用;或者与其他材料复合和粘结作为保温隔热材料来使用．SiO2粉末可以添加到某些涂料中，复合成为具有保温效果的保温隔热涂料\［7，8\］．河南工业大学何方等\［9\］将SiO2气凝胶微球加入到纯丙乳液中，混合其他助剂制成SiO2气凝胶隔热涂料，并将它涂覆于普通马口铁基材上，制得隔热涂层．所得的涂层表面光滑平整，附着力强，硬度好，耐水耐热性能较好，隔热性能突出，可以很好的满足隔热涂料的基本需要．2 011年，法国的ACHARD等\［10\］发表一项专利，用于建筑外墙保温的灰泥砂浆．灰泥砂浆由水、无机矿物材料、有机水凝粘合剂、气凝胶颗粒绝热填充层和其他添加剂组成，其中气凝胶颗粒取代了传统灰泥砂浆中的部分沙子．测试数据显示，该涂层的导热系数为0．027 W/( m·K)，密度为200 kg/m3，比热为1 100J/( kg·K)．该产品使用便利，即它可以预制成型(图1C)，制备成预期厚度和形状的型材，可在建筑外墙中直接使用，也可以在施工现场直接加水混合成具有一定粘度的砂浆，通过机器喷涂或人工直接砌在建筑物的外表面(图1)．1．2．2气凝胶毡气凝胶毡是将SiO2气凝胶在湿溶胶阶段与纤维增强材料复合，然后经过凝胶和干燥制备得到气凝胶毡．它即保留了气凝胶良好的保温绝热的特点，又通过与纤维材料的复合有效的解决了气凝胶机械强度低、易碎、易裂等问题．气凝胶毡纤维增强材料一般分为两大类:一类是韧性，强度较好的有机纤维，例如芳纶纤维、聚氨酯纤维等;另一类是耐高温的无机纤维，例如玻璃纤维、玄武岩纤维、高硅氧纤维、莫来石纤维、石英纤维、硅酸铝纤维等．气凝胶毡类工业化产品的生产方法最早是在1999年由美国Aspen公司提出\［11\］，具体生产步骤如图2所示．将SiO2溶胶、催化剂以及掺杂剂按照一定比例混合，通过滚镀镀膜的方法使溶胶充分浸润纤维材料，之后通过超临界萃取，干燥，打包成型，制备得到气凝胶毡．气凝胶毡类的制备过程比较成熟，难点主要是前期复合阶段凝胶点的溶胶含量的控制以及后期干燥方法的选择(常压干燥和超临界干燥)．目前关于气凝胶毡类产品的研究多集中在如何降低成本，提高生产效率以及产品性能．例如，KIM等\［12\］以廉价的硅酸钠为主要原料，通过离子交换膜得到SiO2水溶胶，然后浸润玻璃纤维，通过溶剂交换，三甲基氯硅烷表面改性等方法，并经过常压干燥制备了疏水型的气凝胶毡．气凝胶毡类产品具有良好的保温隔热效果、疏水性能和极好的柔韧性等优点，是一种理想的保温隔热材料，被广泛的应用到各个行业的保温隔热领域\［13－15\］．例如，航空航天领域的保温材料，耐高温的各类工业管道、罐体及其他弧面设备的保温隔热．1．2．3气凝胶板气凝胶板与气凝胶毡类产品类似，主要是通过气凝胶和其他材料复合制成板材．与气凝胶毡类产品不同的是，气凝胶板类产品不是在溶胶阶段和纤维材料复合，而是将纯气凝胶和纤维、颗粒、砂浆、金属、有机高分子等复合制成刚性的板材．由于气凝胶板是通过气凝胶材料与其他材料复合后经二次浇筑成型，所以可以制备气凝胶异型元器件，满足不同工作场合的需要．目前，已有生产厂家结合真空绝热板的生产技术制备出导热系数小于0．004 W/( m ·K)的气凝胶真空绝热板．气凝胶板除了应用在建筑物和冰箱﹑冷藏﹑冷冻容器等的工业用保温材料外，还可以应用到军工以及航空和航天领域．2003年5月和6月，美国太空总署发射“火星探测漫步者”(勇气号和机遇号)，并与2004年1月成功登陆火星，开始探测活动．火星探测器机器人重要的器件工作温度绝对不能超过－40～40℃．为了抵御火星地表昼夜100℃的温差，维持器件工作温度的恒定，在探测器机体内壁附着了一层气凝胶片装的复合材料用于隔热保温，维持元、器件工作温度的恒定(图3A)．2011年，美国又成功发射“火星科学实验室”( Mars Science Laboratory，MSL)，又名“好奇号”火星车．气凝胶被用来作为“好奇号”放射性同位素热电转换器( Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator)装置上热交换器的隔热材料(图3B)．其热交换器面板为树脂基材六角蜂窝孔洞结构，采用气凝胶和石墨复合材料对孔洞进行填充，交换器面板树脂基材起到结构支撑作用，而气凝胶起到隔热作用\［16\］．1．2．4气凝胶玻璃保温材料除了在工业领域的重要作用外，在建筑行业也起到举足轻重的作用．据统计，在美国和欧洲建筑行业的能量消耗占社会总能量需求的20%～40%，甚至超过工业和交通运输业的总和\［17－18\］．窗户是建筑物结构中必不可少的一部分，光线以及新鲜的空气可以通过窗户进入到室内，能够给我们创造一个良好和舒适的内部生活环境．但是，窗户对于建筑物保温存在着不利影响，在建筑围护结构中的能量耗散中大约有50%的热量是通过窗户所消耗的．因此，透明隔热的保温材料在民用住宅以及商业建筑的节能环保领域起着至关重要的作用\［19－21\］．气凝胶与其他保温隔热材料相比，除了具备低的导热系数，低密度，阻燃等特性外，它还具有透明性．纯的SiO2气凝胶具有类似玻璃的高透过率，可见光波段内透光率能够达到90%以上\［22－23\］．但是，气凝胶极限拉伸强度很小，质脆，易碎，要避免直接的机械撞击．由于结构本身的缺陷，目前气凝胶产品很难作为玻璃直接应用，需和普通玻璃结合使用．主要有气凝胶镀膜玻璃和真空夹层气凝胶玻璃两大类．气凝胶镀膜玻璃就是在普通玻璃表面增加一层气凝胶薄膜来提高隔热性能\［24－25\］．南京工业大学材料化学工程国家重点实验室陈洪龄等\［26\］通过聚甲基氢硅氧烷和正硅酸乙酯制备了超疏水的气凝胶涂层，该涂层在可见光范围内透过率达到90%，并且该涂层可以通过十六烷基三甲氧基硅烷改性处理变为超亲水涂层．虽然气凝胶涂层玻璃兼顾了气凝胶材料的绝热性和透明性，但是涂层对节能性能提高有限，并且涂层与玻璃的附着性也是一大问题．自1980年以来，气凝胶作为透明的绝热材料逐渐被应用到窗户体系中．产品主要是在中空玻璃的夹层填充气凝胶材料，用于制备具有低导热系数和高透明度的气凝胶玻璃．真空夹层气凝胶玻璃按照夹层内气凝胶的形状又分为两大类: 1)夹层填充物为SiO2气凝胶颗粒; 2)夹层填充物为整块气凝胶．整块填充的气凝胶玻璃透明度要优于颗粒填充的气凝胶玻璃，10 mm厚的整块填充的气凝胶玻璃窗户的透过率能够达到90%，然而颗粒填充的气凝胶玻璃窗户透过率最大也只能够达到50%\［27－30\］．图4为这两种气凝胶玻璃的形貌图．对于气凝胶玻璃窗户的保温隔热以及透光率性能的研究早期多集中在欧洲，这主要是由于欧洲的地理位置以及气候所决定．欧洲纬度较高，冬天寒冷漫长，房间需要供暖周期较长．从二十世纪80年代后，由于制备气凝胶材料工艺的发展，气凝胶成本下降，再加上人们对节能环保和高效利用能源的重视，使得气凝胶玻璃门窗系统的研究才逐渐开展起来．1986年，CAPS和FRICKE\［31\］测试了透明气凝胶材料的红外辐射传热性能，得到气凝胶材料的辐射热导率大约是0．002W/( m·K)．在1998－2005年，欧盟审议并且通过了两个关于气凝胶玻璃窗户项目( HILIT和HILIT+)的研究，大大加快了气凝胶玻璃窗户体系的研究与工业化进程．在该项目研究中，瑞典的Airglass AB公司成功的将气凝胶玻璃由实验室研发阶段转换到工业试制阶段．图5展示了该公司生产的气凝胶玻璃窗户，该窗户厚度大约15 mm，每块气凝胶玻璃的尺寸大约58 cm×58 cm，热导率为0．002 W/( m·K)，可见光透过率达到75%．由于气凝胶内部孔洞结构，以及SiO2骨架的刚性结构，决定气凝胶材料质地脆弱易碎，工业化生产整块大面积的气凝胶仍然是一个巨大的挑战，目前气凝胶玻璃最大尺寸60 cm×60 cm，并且产品的良率不是很高，整块大面积的气凝胶玻璃现阶段只是应用在科学研究领域，工业化进程道路依然非常漫长．气凝胶颗粒填充的气凝胶玻璃虽然只有20%～50%的透过率，但是它能够避免气凝胶易碎的问题，可以应用在大型剧院、商场、游泳馆等无需良好视觉效果的位置\［32\］．图6展示了美国底特律艺术学院和纽约州立大学石溪分校诺贝尔大厅使用的美国Kalwall公司气凝胶玻璃\［33\］．气凝胶通常是指以具有纳米量级微细颗粒相互聚集构成的纳米多孔网络结构，并在纳米量级的网络骨架中充满大量气态分散介质的轻质纳米固态材料，其中SiO2气凝胶最受关注，也是近年来研究最多的气凝胶．与碳气凝胶、Al2O3和TiO2等其他气凝胶相比，SiO2气凝胶原材料来源丰富，制备工艺简单，可控性好．在性能方面，SiO2气凝胶同时兼有玻璃的高透明性，聚苯乙烯、聚氨酯类有机高分子材料的低热导率特性，以及炭黑材料的高比表面积等特性\［34－38\］．图7显示了SiO2气凝胶具有优良的抗压强度、显著的绝热特性和低密度特性．与发泡聚苯乙烯、岩棉棉等其他隔热材料相比，气凝胶同时兼有玻璃的高透明性，低热导率特性以及高的燃烧等级等特性\［39－40\］．表1为常用保温隔热材料的特性对比．国外气凝胶生产企业主要集中在欧美地区(图8)，其中美国占据世界一半以上份额．美国从事气凝胶的生产企业有10家左右，主要有Aspen、Cabot和Thermablok公司，这3家公司在美国国内占据65%以上的市场份额．Aspen气凝胶公司是美国航空航天管理局下属的一家公司，创立于2001年，继承了应用于美国宇航局( NASA)的专业宇航纳米保温技术，将超临界气凝胶保温毯生产技术工业化，全球年产能达上亿平方英尺．2010年，德国BASF公司旗下的Venture Capital公司向Aspen投资2 150万美元，Aspen公司的气凝胶产品应用于BASF公司在比利时Antwerp的工厂．Cabot公司是一家拥有130年历史，专业生产特殊化工产品和特种化工材料的全球性跨国公司，目前该公司在建筑用气凝胶方面已经有了一定的应用，主要有气凝胶节能窗、气凝胶涂料、气凝胶新型板材和屋面太阳能集热器．Thermablok公司是美国Acoustiblok公司的子公司，主要生产韧性的气凝胶绝热胶条，其产品主要用在住宅建筑的地板、墙壁、天花板边缘．目前，国内仅有绍兴纳诺高科有限公司、广东埃力生高新科技有限公司和航天海鹰(镇江)特种材料有限公司等少数几家公司能够生产气凝胶产品．纳诺高科成立于2004年，是国内首家进行SiO2气凝胶商业化和产业化的公司．公司以生产气凝胶SiO2粉末为主，年生产能力为2 000立方米，主要产品是隔热毡．广东埃力生亚太电子有限公司是一家集研发、生产、销售气凝胶复合隔热材料和真空绝热材料为一体的创新型高新技术企业．公司主要经营纳米气凝胶粉末，和纳米气凝胶毡．航天海鹰(镇江)特种材料有限公司成立于2011年，由航天三院、航天特种材料及工艺技术研究所(代号三○六所)、镇江新区高新技术产业投资有限公司共同出资组建，公司超临界生产线年产量将达到1 500立方米．以航天三院技术研发为支撑和航空航天市场为依托，航天海鹰气凝胶后续生产发展能力值得期待，势必会对纳诺、埃力生等老牌气凝胶生产厂商形成强有力的冲击．SiO2气凝胶材料由于具有独特的结构，显示出低密度、透明、隔音、绝热等特性，在建筑围护结构、管道保温、涂料以及航空航天领域有着极其广泛地的应用．但是若要取代传统的无机矿物棉以及有机保温材料，气凝胶材料还必须解决好以下两点问题:一是成本问题．气凝胶目前的市场价格大约是其他保温材料的10倍，必须改进生产工艺，并降低原材料的成本;二是粉尘问题．气凝胶材料在生产和使用阶段会产生大量粉尘，并且这些粉尘依据现有生产和施工条件难以完全去除．随着建设资源节约型、环境友好型社会已经成为落实科学发展观的必备条件，国家必定在节能和环保领域有更多的需求与投入，传统的保温材料将逐渐被气凝胶材料所取代，因此气凝胶材料必将有着更广阔的发展空间与市场前景．【相关文献】［1］CUCE E，CUCE P M，WOOD C J，et al．Toward aerogel based thermal 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气凝胶的制备与应用研究
气凝胶的制备与应用研究气凝胶是一种轻质多孔的新型材料，具有优异的热、声、光和电学性能，被广泛应用于能源、环保、航空航天、生物医药等领域。
本文将介绍气凝胶的制备方法和应用研究进展。
一、气凝胶的制备方法气凝胶的制备方法主要有超临界干燥法、溶胶-凝胶法、冷冻干燥法和气相沉积法等。
其中，超临界干燥法是目前应用最广泛的制备方法，因其制备过程简单，可用于各种类型的物质，且制得的气凝胶密度低、孔径可控，具有良好的热稳定性和化学稳定性。
以下将对这四种方法分别进行介绍：1. 超临界干燥法超临界干燥法是指在高压高温下将液态物质变为气态，通过减压降温使物质从气态转变为凝胶状态，最终得到气凝胶。
该方法可用于制备化学性质稳定的无机气凝胶和多种有机气凝胶。
超临界干燥法的优点在于：可以改变超临界条件（压力、温度）来控制孔隙结构，得到可调控的孔径和孔隙大小的气凝胶。
2. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是指将物质分散在溶液中形成胶体，通过蒸发、热处理或光聚合等方式使其自组装形成凝胶状态，再通过干燥处理形成气凝胶。
该方法制备的气凝胶可用于吸附剂、分离材料、催化剂和光学传感器等领域。
3. 冷冻干燥法冷冻干燥法是指将物质的溶液冷冻成凝胶状态，再通过蒸发水分或真空干燥等处理方式将其转变为气凝胶。
该方法制备出的气凝胶具有优异的孔隙性能和高比表面积，在光学、催化和隔热领域有广泛的应用。
4. 气相沉积法气相沉积法是指将一种适宜的前体物质在高温下裂解、氧化或还原等化学反应形成气态分子，通过气相沉积在固体表面上形成气凝胶。
该方法的优点在于：制备速度快，反应条件易于控制，可得到高纯度、高结晶度的气凝胶。
二、气凝胶的应用研究进展气凝胶的应用研究主要集中在以下几个领域：1. 能源领域气凝胶具有优异的隔热性能和低介电常数，可用作电容器介质、超级电容器、锂离子电池隔膜和太阳能电池支撑材料等。
目前，人们已经研制出多种具有优异性能的气凝胶，如碳气凝胶、二氧化硅气凝胶等，这些材料在节能环保领域和新能源领域有广泛的应用前景。
纳米二氧化硅气凝胶隔热材料的研究进展
作为 一种 新 型 轻质 纳 米 多 孔材 料 ，ｉ ＳＯ 气凝 胶
是 目前各 国材料科 学 家 研究 较 多 的单 组 分气 凝 胶 。 它在 纳米尺 寸效应 、 表面 效应 、 子尺 寸效应及 宏观 量
ｒ ｗ ａｅｉ ｓ Ｆｉ ｌｙ，ｈ ｒ ｓ ｃ ｆｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｔｉ ａｅ ａ ｓ ｐ ｏ ｓ ｄ ａ ｍ ｔ ｒａ ． ｎａｌ ｔ ｅ ｐ ｏ ｐｅ ｔｏ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｈ ｓｍ ｔｒｌ ｗａ ｒ ｐｏ ｅ ． ｌ ｉ Ｋ ｅ ｗｏｒ ｙ ｄｓ：ｉｉａａ ｒ ｇ ｌ ｐ ｒ ｓｔ ｔ ｅ ａ ｏ ｄｕ ｔｖ ｔ ｔｅ ａ ｎ ｕａ ｉｎ ｍ ａｅ ａ ｓｌｃ －ｅｏ ｅ ； ｏ ｏ ｉｙ；ｈ ｒ ｌｃ ｎ ｃｉｉｙ；ｈ ｒ ｌ ｉｓ ｌｔｏ ｔ ｒ ｌ ｍ ｍ ｉ
技术 ， 提出今后研究 的主要 目标 ， 即通过廉价原料制备 出较低密度下有 良好强度 和热导率 的气凝胶 复合材料 ， ： 二氧化硅气凝胶 ； 孔隙率 ； 热导率 ； 隔热材料
中图 分 类 号 ：Ｑ ２ ． Ｔ １７２ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章编 号 ： ０ ４ ９ （０ ０ １ — ０ ４— ３ １ ６— ９０ ２ １ ） １ ０ ０ ０ ０
摘
要： 作为一种超级 隔热材料 ， 二氧化硅气凝胶具有极 高的孔 隙率和极低 的热导率 。着重介 绍 了纳米二 氧
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学 年 论 文题目： SiO 2气凝胶的研究现状与应用学 生： 房斯曼学 号： 200902010204院 （系）：材料科学与工程学院专 业： 材 料 化 学指导教师： 李 翠 艳2012年 6 月 1 日SiO2气凝胶的研究现状与应用材化092 班###指导老师：李##(陕西科技大学材料科学与工程学院陕西西安710021）摘要:本文从二氧化硅的研究历史和现状出发，从制备方法、干燥工艺、性能与应用领域等方面综述了二氧化硅气凝胶的研究进展，并对二氧化硅气凝胶的发展前景进行了展望。
关键词:二氧化硅气凝胶，制备，干燥，应用Current Research and Applications of SilicaAbstract: The article reviewed the latest development and the history of the research of silica aerogel, summarized the progress of the silica aerogel research in the aspects of preparation methods, drying technologies, properties and current application. And the article also looks forward to the development prospect of silica aerogel.Keywords: silica aerogel, preparation, drying, application0 前言二氧化硅气凝胶是在保持胶体骨架结构完整的情况下，将胶体内溶剂干燥后的产物,它问世于1931年，美国科学家首先由斯坦福大学的S．S．Kistler制得了二氧化硅气凝胶。
1966年J．B．Peri利用硅酯经一步溶胶—凝胶法制备出氧化硅气凝胶，从而使材料的密度更低，进一步推动了气凝胶研究的进展。
1974年粒子物理学家Cantin等首次报道了将1700升和1000升的氧化硅气凝胶应用于两个Cerenkov探测器。
此后，硅气凝胶作为隔热材料又成功地应用于双面窗HJ。
1985年Tewari使用二氧化碳为超临界干燥介质，成功地进行了湿凝胶的干燥，推动了硅气凝胶的商业化进程。
随着人们对二氧化硅气凝胶研究的深入，气凝胶制备及应用有了许多新的发展。
本文从二氧化硅现有的制备方法和二氧化硅气凝胶的性能出发，查阅各方资料，指出了不同的制备条件对二氧化硅气凝胶性能的影响以及各种方法的优点及待改进的地方，总结了二氧化硅气凝胶的各种优异的性能以及在各个领域的应用。
并且对二氧化硅气凝胶的发展进行的展望。
1 SiO2气凝胶的制备工艺目前，二氧化硅气凝胶的主要制备方法就是通过溶胶凝胶方法先得到SiO2凝胶，再经过干燥可得到二氧化硅气凝胶。
溶胶凝胶制备二氧化硅凝胶因为受到很多因素的影响，在不同的制备因素下所得到的气凝胶性能会有所影响。
1.1SiO2气凝胶的硅源SiO2气凝胶传统的制备方法以正硅酸乙酯或正硅酸甲酯为原料，通过溶胶凝胶过程获得醇凝胶，再经过超临界干燥而获得。
但是它所应用的原料价格昂贵，制备工艺复杂，设备要求高，能耗又比较大，使气凝胶的成本很高，制备不易，从而阻碍了SiO2气凝的大规模推广应用。
因此人们正尝试使用一些新的硅源，一次来降低设备要求，简化工艺过程。
邓忠生[15]等，以正硅酸乙酯(TEOS)为原料，以乙醇为溶剂，使用HF作为催化剂能有效地降低胶凝温度(可降至室温)、缩短胶凝时间(可缩短至几分钟)，从而快速制备出SiO2气凝胶。
BET、TEM测试结果表明，其具有大比表面积、纳米多孔结构(颗粒为几米，孔洞尺寸为5-30nm)。
沈军等[1]，以正硅酸四乙酯(TEOS)为硅源，通过溶胶—凝胶及超临界干燥过程制备SiO2气凝胶。
同时，采用相对廉价的多聚硅(E-40)为硅源，利用表面修饰、降低凝胶孔洞中液体的表面张力等技术，减小SiO2凝胶在干燥过程中的收缩，成功地在常压下备出了SiO2气凝胶。
这些气凝胶均是典型的纳米孔超级绝热材料，后者热导率略高，避免了使用昂贵的超临界干燥技术，有利于气凝胶的大规模工业应用。
魏建东[16]等，以E-40(多聚硅氧烷)为硅源、三甲基氯硅烷的异丁醇溶液为干燥介质，用溶胶-凝胶法，在亚临界条件下制备出疏水的SiO2气凝胶。
通过SEM、孔径分布、比表面积、接触角以及红外光谱的测试对其物性进行了研究。
结果表明，所制备的SiO2气凝胶具有典型的纳米网络结构、比表面积大且具有疏水性能。
亚临界干燥使得制备压力从6.4MPa降低到2.3MPa，降低了制备成本和风险，同时疏水性能提高了SiO2气凝胶环境适应性，从而十分有利于气凝胶的商业应用。
甘礼华[9]等，以硅溶胶为原料，采用非超临界干燥法，通过凝胶过程条件参数的严格控制，以正硅酸乙酯醇溶液浸泡提高凝胶骨架强度等方法，最终得到外观为乳白色半透明的，具有连续网络结构的多孔纳米SiO2气凝胶，SiO2气凝胶构网络结构的粒子相当微小和均匀，平均粒径约为 1 2～2 0 n m．2二氧化硅气凝胶的溶胶凝胶工艺目前，制备的二氧化硅气凝胶的主流工艺是以正硅酸乙酯（TEOS）为原料,大体流程图如下。
图1 溶胶-凝胶法制备硅气凝胶的工艺流程图Fig.1 The technological process pattern of silica aerogels prepared bysol-gel method2.1 水量对Si02溶胶-凝胶的影响研究认为，随着水相对TEOS的增加，凝胶时间基本呈明显的线性下降，这与TEOS的水解速率受水量影响一致。
但如果水相对TEOS超过水解反应的理论物质的量比4以后，水作为缩聚反应的生成物又会使凝胶时间逐渐延长。
研究发现水量的相对增加对成品性能(如密度)有显著不利的影响，认为凝胶中水分的增加提高了后续工艺的难度，容易导致收缩的显著加剧。
2.2温度对二氧化硅气凝胶的影响温度升高有利于溶胶微粒的相互碰撞而凝结，认为与凝胶时间基本成反比关系，但过高的温度容易导致结构的不均与粗大，因此一般研究中凝胶温度应低于70℃。
杨大祥[7]等，通过研究低温下制备二氧化硅气凝胶发现低温下溶胶-凝胶反应仍然能进行，溶胶粘度突变区时间明显延长，得到稳定的、可较长时间保存的、便于成膜的溶胶。
该溶胶经成型、老化、临界流体干燥便得到无开裂、透明、高孔隙率的氧化硅气凝胶。
2.3溶剂量对SiO2溶胶-凝胶的影响TEOS的溶剂一般采用醇类。
认为溶剂对体系还产生了稀释与占位作用，因此溶剂的增加常常对气凝胶的性能有利。
研究认为凝胶时间一般与溶剂量成正比，成品密度与溶剂量成反比。
但是，溶剂量过多不利于成品强度。
2.4催化剂对SiO2溶胶一凝胶的影响目前SiO2气凝胶制备普遍采用先酸后碱的两步法，低pH值有利于TEOS的水解，高pH值有利于溶胶的缩聚，两种反应互相竞争，因此在酸性体系中逐渐升高pH值时将导致凝胶时间的急剧缩短，乃至瞬间凝胶。
凝胶时间相对pH值接近碱性下降，但接近中性后趋于稳定。
由此可能对凝胶结构产生明显影响，如一般偏碱性条件下的产物透明性较差，折射率低，认为这与结构、孔隙粗大有关。
3SiO2气凝胶的干燥工艺SiO2醇凝胶或水凝胶需要干燥才能制得气凝胶，而一般的干燥方式将由于表面张力作用于薄弱的网络结构而导致产物明显收缩甚至破碎，致使SiO2气凝胶的优异性能损失殆尽。
所以，适当的干燥工艺是SiO2气凝胶制备工艺的核心环节。
3.1 SiO2气凝胶的超临界干燥法将醇凝胶中的有机溶剂或水加热、加压到临界温度和临界压力以上，系统中的气一液界面将消失，凝胶中的毛细管压力也不复存在。
(表1列出了一些干燥介质的临界参数)处于临界条件(即临界压力和温度)，避免或减少干燥过程中由于溶剂表面张力的存在而导致的体积大幅度收缩和开裂，从而获得保持凝胶原有形状和结构的气凝胶。
表1一些干燥介质的临界参数Tab 1 Critical parameter of some drying medium干燥介质沸点临界温度临界压力临界密度(℃) (℃) ×pH (g·cm-3)二氧化碳-78.5 31.1 72.9 0.468 甲醇64.6 239.4 79.9 0.272 乙醇78.3 243.0 63.0 0.276 正丙醇97.2 263.5 51.0 0.275 水100.0 374.1 217.6 0.322 甲烷-164.0 -83.0 4.60 0.160 乙烯-103.7 9.5 5.07 0.2003.2非超临界干燥法非超临界干燥技术包括常压干燥、亚临界干燥、冷冻干燥等。
亚临界干燥类似于超临界干燥，只是温度和压力低于临界点，对其机理的研究也较少。
冷冻干燥是依靠低温将液气界面转化为固气界面，通过升华去除溶剂，同样能避免表面张力的不利影响。
常压干燥工艺的基本原理是首先用一种或多种低表面张力的溶剂替换湿凝胶中的孔隙溶液并通过改性使凝胶表面疏水化，防止在干燥过程中发生过度收缩变形和结构破坏。
研究表明，网络增强及表面改性方法可以减小或消除气凝胶的碎裂程度，经合理常压干燥得到的二氧化硅气凝胶性能与通过超临界干燥工艺得到的基本一致。
常压干燥工艺的关键在于干燥前对湿凝胶的有效处理，一般可通过以下几种措施来进行:(1)增加凝胶网络的骨架强度，采用表面张力小的溶剂置换，减少凝胶干燥时孔洞间毛细管力的破坏;(2 )增大凝胶的孔径并使之大小均匀，在溶胶到凝胶过程中通过加入控制干燥的化学添加剂，如甲酞胺乙酞胺二甲基甲酞胺甘油等来改善凝胶中孔洞均匀性，减少干燥时产生的内应力差;(3)二氧化硅颗粒表面改性，有效防止凝胶干燥时骨架颗粒表面羟基发生不可逆缩聚而引起收缩;(4)采取有机高聚物的骨架交联强化，增强骨架结构强度。
4SiO2气凝胶的性能与应用进展二氧化硅气凝胶具有超低的密度(0．003～0．29／cm3)、超高的气孔率(80％～99．8％)和超细的结构(微观网络骨架与孔隙一般都进入纳米范畴，比表面积可达800m2／g以上)，由此带来一系列热、光、电、声、吸附方面的优异性能，在保温隔热、光导、介电、声阻隔音、吸附、催化等领域有着广阔的应用前景。
目前已经广泛应用于航天、石油化工、冶炼、市政供暖等领域。
4.1 热学特性与应用由于SiO2气凝胶大量细小气孔的尺寸处于纳米级，小于空气分子70nm的平均自由程，导致SiO2气凝胶的导热率低于0．02W／(m·K)，甚至达到0．013W ／(m·K)，比空气的0．023w／(m·K)更低。
具体应用涵盖了科研、工业、国防的保温隔热场合，尤其是“三航”，还可用于生活日用的多种场合，如建筑隔热(板材、玻璃)、衣物保暖、冰箱隔热、管道保温等，乃至提高阳能集热器的效率。