90% 以上孔隙率！SiO₂气凝胶复合材料为何如此神奇？ -山东化工网

90% 以上孔隙率！SiO₂气凝胶复合材料为何如此神奇？

文章来源：贤集网更新时间：2024-12-06 16:25:08

在材料科学的广袤星空中，SiO₂气凝胶复合材料犹如一颗闪耀着独特光芒的新星，正逐渐成为全球科研与工业应用领域的焦点。从 20 世纪 30 年代起步，历经漫长岁月的磨砺与沉淀，它凭借着一系列卓越的性能，在众多传统与新兴材料中脱颖而出。其发展历程不仅见证了人类对材料微观结构与性能调控能力的不断攀升，更为现代科技的诸多关键领域，如航空航天的极限探索、建筑节能的绿色变革、能源利用的高效提升等，带来了前所未有的突破机遇，开启了一段充满无限可能与创新活力的材料科技新征程。

一、SiO₂气凝胶复合材料的发展历程与特性

SiO₂气凝胶复合材料的发展源远流长，其起源可追溯至 20 世纪 30 年代，最初主要作为高效隔热材料而被研究。历经数十年的技术演进，如今已展现出极为多样化的应用潜力。

SiO₂气凝胶自身具备诸多独特的性能。从微观结构来看，它以三维网状纳米多孔结构为显著特征，孔隙率高达 90％以上。这种特殊的多孔结构造就了其轻质、低密度的物理特性，并且赋予了它较大的比表面积。其孔隙结构的可控性更是一大亮点，使得材料能够在多种复杂环境中维持稳定，适应性极强。在化学特性方面，SiO₂气凝胶拥有优异的稳定性和惰性，即便处于多种化学环境之下，依然能够保持自身结构与性能的稳定。此外，其表面易于功能化，通过表面修饰可实现与其他物质的有效结合，这无疑极大地拓宽了它在复合材料领域的应用范畴。值得注意的是，SiO₂气凝胶对水蒸气和某些气体的吸附性能，使其在过滤和催化等领域也拥有广阔的应用前景。

自 1931 年被发明以来，SiO₂气凝胶已有九十余年的历史。传统的 SiO₂气凝胶被定义为“首先将前驱体液体逐渐转变为溶胶和凝胶，并通过干燥工艺形成 SiO₂颗粒相互连接的多孔三维纳米网络结构”。早期的纯 SiO₂气凝胶与聚氨酯泡沫、酚醛泡沫、聚苯乙烯等高分子材料相比，具有更低的密度和导热系数，在航空航天领域初步得到应用。然而，纯 SiO₂气凝胶存在明显的局限性，当工作温度超过 650 - 800℃时，其结构稳定性会急剧下降，甚至发生破坏与坍塌，无法正常使用。

二、SiO₂气凝胶复合材料的不同类型与复合策略

氧化物增强复合 SiO₂气凝胶：

为改善纯 SiO₂气凝胶的耐高温和保温隔热等性能，众多学者将其与 Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂等氧化物进行复合，研发出了氧化物增强复合 SiO₂气凝胶。这类复合材料具备良好的耐高温、保温隔热、光催化等优异性能，在航空航天的耐高温、保温隔热、能量存储转化等场景中有着重要的应用价值。例如，在航天飞机发动机、固体火箭助推器等高温部件的隔热保护方面，氧化物增强复合 SiO₂气凝胶能够发挥关键作用，有效降低热量传递，保障设备的正常运行与安全性。

纤维增强 SiO₂复合气凝胶：

美国宇航局率先将气凝胶作为高效隔热材料应用于一系列火星车和探测器上，但纯 SiO₂气凝胶材料自身结构较脆，力学强度不理想，极大地限制了其应用前景。同时，气凝胶复合材料的制备方法价格高昂，如超临界干燥法虽能制备出质量较好的产品，但成本过大，难以大规模生产应用，多停留在科学研究阶段。基于此，国内外许多学者针对纯 SiO₂气凝胶材料力学强度差的技术难题开展了大量研究工作，普遍认为将纤维增强材料与纯 SiO₂气凝胶复合是增强力学强度最为有效的方法之一。玻璃纤维、陶瓷纤维、碳纤维等纤维材料的加入，为 SiO₂气凝胶提供了有力的支撑结构，显著提升了其力学性能。在航空航天领域的一些结构部件中，纤维增强 SiO₂复合气凝胶能够在保证隔热性能的同时，满足一定的力学承载要求，如在深空探测器的某些结构件或返回舱底座等部位，能够更好地适应复杂的力学环境。

有机聚合物复合 SiO₂气凝胶：

有机聚合物是指高聚物分子通过粒子间的氢键、范德华分子力相互作用而形成具有超高性能的有机化合物。其独特的属性使其在材料领域占据重要地位，成为克服纯 SiO₂气凝胶脆性缺陷的潜在替代品。在实际应用中，聚合物常因高温稳定性差而受限。近年来，为实现协同提升 SiO₂气凝胶复合材料的保温隔热和机械强度等性能，诸多学者将有机聚合物和纯 SiO₂气凝胶作为相互增强材料和填充材料开展了大量研究工作。常见的有机聚合物包括聚氨酯、聚酰亚胺、酚醛树脂、陶瓷树脂、聚丙烯/聚苯乙烯等高分子合成材料。当这些有机聚合物与 SiO₂气凝胶复合后，能够得到隔热性能和机械强度更佳的复合材料，有望解决航空航天领域材料在保温隔热和力学强度同步提升的技术瓶颈。不过，目前有机聚合物对 SiO₂气凝胶的保温隔热、机械强度以及其他性能的影响作用机制尚未完全明晰，这仍是当前复合材料领域研究的重难点之一。

金属材料复合：

在材料科学领域，SiO₂气凝胶与金属材料的复合是一项极具创新性的工作。通过与金属材料，如铝、铜等复合，SiO₂气凝胶复合材料的机械性能和热稳定性得到强化，应用范围也得到拓展，尤其在高强度和特定功能性方面展现出显著优势。金属与 SiO₂气凝胶间纳米尺度的相互作用，确保了两种材料能够有效结合，共同发挥各自的长处。由此制造出来的复合材料不仅具备 SiO₂气凝胶的轻质和高隔热性能，还拥有金属的高强度和良好的导电性能。在电磁屏蔽领域，SiO₂气凝胶金属复合材料凭借金属的导电特性，能够有效防护电磁干扰，在通信和电子产品领域有着重要意义。此外，由于金属可提升材料的热稳定性，该复合材料也适用于高温环境下运作的设备，如某些高温工业炉窑的隔热与防护部件等。但在生产过程中，需要精确控制金属和 SiO₂气凝胶的比例及反应条件，以实现两者间的最优结合效果，从而使复合材料发挥出最佳性能。

纳米材料复合：

SiO₂气凝胶与纳米材料的复合通常以功能多样化为目标。例如，将 SiO₂气凝胶与碳纳米管结合，得到的复合材料在保持原有隔热特性的基础上，增加了电导性，使其在电子设备的热管理和电磁屏蔽领域中有广泛的应用前景。石墨烯的引入不仅增强了 SiO₂气凝胶的强度和稳定性，还提升了其导热性，这对于要求快速热传导的应用场景，如高性能电子芯片的散热等尤为重要；纳米银和纳米铜的引入则赋予了 SiO₂气凝胶显著的抗菌性能，在医疗卫生领域具有重要价值，可用于制造具有自净化能力的表面涂层或医疗器械，有效减少病原体传播。SiO₂气凝胶纳米复合材料的开发充分展示了纳米技术在提升传统材料性能和功能方面的巨大潜力。

三、SiO₂气凝胶复合材料与常规材料的性能对比及应用领域**

性能对比：

与其他常规材料相比，SiO₂气凝胶复合材料具有多方面的性能优势。在保持轻质、高孔隙率的同时，其整体的机械强度和耐用性得到了大幅提高。在隔热性能和声学性能方面，一般均能超越单一材料，特别适用于对隔热和吸音性能有高要求的环境，如建筑的隔热保温层、声学实验室的隔音设施等。此外，SiO₂气凝胶复合材料的化学稳定性和生物相容性较好，这为其在化工和医疗领域开辟了新的应用可能，例如在化工管道的防腐涂层、医疗植入物的表面修饰等方面都有潜在的应用价值。

应用领域：

1.航空航天领域

在航空航天领域，SiO₂气凝胶复合材料有着广泛而关键的应用。从深空探测器的隔热防护，到太阳能翻板的保温与减重，再到航天飞机发动机、固体火箭助推器的耐高温与隔热，以及返回舱底座的结构支撑与隔热等方面，都离不开 SiO₂气凝胶复合材料的身影。例如，在深空探测器长时间的太空探索任务中，恶劣的宇宙环境对材料的隔热、耐高温、力学性能等提出了极高要求，SiO₂气凝胶复合材料能够有效地保护探测器内部的仪器设备免受极端温度的影响，同时减轻整体重量，提高能源利用效率。

2.建筑领域

传统砂浆和混凝土：砂浆和混凝土作为基建设施的基础材料，稳定性和耐久性至关重要。SiO₂气凝胶的引入，可在不牺牲传统材料强度和稳定性的前提下，提高其节能性能。其独特的多孔结构和低热导率使其成为理想的隔热添加剂，能显著减少热能传递，降低能源消耗，提高能源效率。无论是新型设施的建设还是旧设施的节能改造，都可应用 SiO₂气凝胶复合材料。但在应用过程中，需精准确定其添加比例，以确保材料的机械强度、耐久性和工作性能不受损害，这需要深入的材料科学研究与实验验证。

墙体涂料：与传统涂料相比，SiO₂气凝胶涂料的隔热性能更为出色，可有效降低室内外温度差异导致的能源损失。在内墙表面涂覆该涂料，无需大规模结构改造即可提升节能效果。而且涂层轻薄，不影响墙体美观，应用简便，易于普及。同时，SiO₂气凝胶涂料还具有较高的环境适应性，能在不同气候条件下稳定工作。

外墙和楼顶材料：外墙和楼顶是房屋热量交换的主要界面，其节能性能直接影响房屋整体能耗。将 SiO₂气凝胶复合材料应用于外墙和楼顶的隔热层，可大幅降低夏季的冷却需求和冬季的供暖能耗。该材料轻质且易于加工，便于在现有设施上进行改造与应用，对于建筑节能具有重要意义。

玻璃：SiO₂气凝胶复合材料可增强玻璃的隔音效果，在中空、真空和夹层玻璃的生产中发挥着重要作用，能显著提高玻璃的热效率和降噪能力。夏季，可有效减弱太阳辐射，减少约 20％的热损失，降低室内温度；冬季，能阻挡约 40％的室内热空气流失，节能效果显著。与传统玻璃相比，其透光率较高，对室内采光影响较小。目前主要有夹层玻璃和镀膜玻璃两种类型，夹层玻璃保温性能好但成本高，镀膜玻璃成本较低且透光率可达 88％。

3.能源领域

在热水器的储水箱、集热器和管道系统中，SiO₂气凝胶复合材料也大显身手。应用于储水箱和管道外层，可显著降低热能传输损失，提升集热器效率，尤其在阳光辐射不足时表现更为突出，有助于提高热水器的整体能源效率，降低能源消耗。

四、SiO₂气凝胶复合材料的产业链与发展展望

SiO₂气凝胶企业产业链涵盖了从成胶、封装，到电池包、储能、轨道交通、建筑、管道等下游应用的多个环节。从材料的前驱体到各种纤维如陶瓷纤维、玻璃纤维、泡棉等，以及封装材料如 PET、PI 膜，热熔胶、硅胶框等，同时也包括生产过程中的设备，如超临界设备、热压机、模切设备等。整个产业链的协同发展，推动着 SiO₂气凝胶复合材料的不断进步与广泛应用。

随着科技的不断发展，SiO₂气凝胶复合材料的未来充满无限可能。在研发方面，对于各种复合机制的深入研究将持续进行，如氧化物复合气凝胶的耐高温性提升机制、纤维骨架与 SiO₂气凝胶颗粒间的耦合作用机制、有机聚合物分子/SiO₂复合气凝胶颗粒间的黏结、排列和分子力作用机制等，有望进一步提升材料的性能。在应用领域，除了现有的航空航天、建筑、能源等领域，可能会拓展到更多新兴领域，如智能穿戴设备的隔热与功能增强、新能源汽车的电池热管理与轻量化等。同时，随着生产工艺的不断改进和成本的逐步降低，SiO₂气凝胶复合材料将更加普及，为人们的生活和社会的发展带来更多的便利与效益，在全球材料科学领域持续书写辉煌篇章，成为推动各行业技术进步与创新的重要力量源泉。

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