SiO2气凝胶材料的制备、性能及其低温保温隔热应用

张志华，王文琴，祖国庆，沈军，周斌，连娅

SiO2气凝胶材料的制备、性能及其低温保温隔热应用

张志华，王文琴，祖国庆，沈军，周斌，连娅

(同济大学波耳固体物理研究所上海市人工微结构材料与技术重点实验室，上海200092)

由于SiO2气凝胶独特的纳米多孔结构，使其具有诸多其他材料所不能比拟的优异性能，比如极高的孔隙率和比表面积、极低的热导率及密度等特性。这些优异的性能使得SiO2气凝胶在高效保温隔热、隔声等领域具有极大的应用潜力。本文阐述了SiO2气凝胶的溶胶-凝胶制备过程及其机理，分别对SiO2气凝胶的热学、力学、光学和疏水性能的研究进展进行了概述，同时分析了气凝胶的微观结构与上述性能之间的关系，并介绍了SiO2气凝胶在低温保温隔热领域的应用现状和前景。

SiO2气凝胶;制备;低温保温隔热;透光性能;疏水性

SiO2气凝胶作为无定型纳米多孔材料，其结构可控，具有连续的三维网络结构。并且其密度在3-500mg/cm3之间可调［1］，是世界上密度最低的一种固体材料，孔隙率可达80%～99.8%［1］，孔径尺寸在1～100nm之间，比表面积可高达1000m2/g［2］。由于独特的纳米多孔结构，其热导率极低(常温常压下热导率低达0.017W/(mK))［1］，是目前所知热导率最低的固体材料。由于构成气凝胶骨架的结构单元比可见光波长要小，因此还具有较好的透光性能。同时它又是无机材料，具有不燃或阻燃作用，在保温隔热领域具有广泛的应用前景［3～5］。近年来，SiO2气凝胶的研究越来越广泛，在力学性能改善、微结构控制、降低成本、耐候性、热学性能提高等方面取得了一系列显著的进展［6～23］。

随着当今工业的发展及能源的利用，对高效保温隔热材料的需求越来越紧迫。比如，LNG(Liquefied Natural Gas)作为一种"海上超级冷冻车"船，需在－163℃低温下运输易挥发和易燃的液化气［24］，这就对低温保温材料提出了更高的要求。此外，随着航空航天领域的发展，运载火箭液氢储罐、探测器的低温绝热等需求也不断增加［25，26］。在建筑领域中，建筑能耗占社会总能耗的比重很大，而寒冬外墙的热量散失是其中一项重要因素。因此轻质、高效的建筑保温绝热材料的研究对建筑节能具有重要意义。

针对上述需求，本文结合本课题组的研究内容具体讲述气凝胶绝热材料的制备过程及其机理，对SiO2气凝胶的热学性能、光学性能、力学性能和疏水性能的研究现状进行了概述，分析了气凝胶的微观结构与上述性能之间的关系。然后介绍了气凝胶在低温保温隔热领域的应用现状和前景，并且探讨了其与这一领域的主流保温隔热材料的优劣。

1 SiO2气凝胶的制备

首先，SiO2气凝胶的制备是溶胶-凝胶过程。即前驱体进行水解反应再进行分子间的缩聚，两个反应交叉进行，水解过程中包含缩聚反应，而缩聚产物也会发生水解反应，因而产物也会非常复杂。溶胶-凝胶过程示意图如图1所示。制备SiO2气凝胶在添加水与催化剂的条件下的水解过程为:

图1 气凝胶的溶胶-凝胶制备过程示意图［1］Fig.1 General scheme for preparing aerogels by sol-gel processing

其中R代表烷基团。硅酸缩聚过程为:

进一步的缩聚反应可以增加—Si—O—Si—的交联，最终形成SiO2网络结构。两个反应过程通常用酸或碱来催化［2］。

为了改善气凝胶的性能，后来发展了酸碱两步法:在酸性条件下用亚化学计量的水发生初级水解，形成小的部分聚合的二氧化硅粒子，然后加入水和碱催化剂。这种方法得到的凝胶包含小的、高度交联的亚组分粒子结构。这可以使我们制备出密度低达3kg/m3的气凝胶［27］。

除了硅醇盐之外，以水玻璃、硅溶胶、多聚硅氧烷等廉价硅源同样可以制备出SiO2气凝胶［28］。这种方法制备出的气凝胶同样具有密度低、热导率低、孔隙率高等优良性能。并且显著地降低了SiO2气凝胶的制备成本，有利于其工业化应用。

近年来，本课题组以水玻璃、多聚硅氧烷为源，采用三甲基氯硅烷、六甲基二硅胺烷等表面改性剂进行表面改性，以硅油、六甲基二硅氧烷等为干燥介质降低表面张力，通过常压干燥制备了疏水SiO2气凝胶，其热导率低至0.029W/mK［11～14，29］。此外，最近本课题组以硅溶胶为源，以十六烷基三甲基溴化胺(CTAB)、十二烷基苯磺酸钠等为表面改性剂，在纯水体系下制备出了密度约为250mg/cm3的SiO2气凝胶，显著地降低了其制备成本，对其工业化应用具有极大促进作用［30－32］。

凝胶后湿凝胶体要经历继续交联反应过程:溶胶粒子与小团簇在溶液中附着在一起形成团簇扩展了凝胶网络，并且所有导致凝胶的缩聚反应继续进行，尤其是两个相邻的硅羟基(或者一个硅羟基与一个Si-OR基团)占主导地位。通过交联，可以继续增强或加固网络结构［33］。

干燥过程，是制备SiO2气凝胶的难点和关键所在。目前，SiO2凝胶干燥方法主要有以下四种:超临界干燥、亚临界干燥、冷冻干燥、常压干燥。采用一般干燥方法很难阻止凝胶的收缩和破裂。要保持凝胶结构或得到块状凝胶，通常采取消除表面张力的方法来实现，目前普遍认为最有效的办法是在超临界流体条件下驱除凝胶中的液体。而常压干燥不仅可以有效地降低表面张力，还能显著降低其制备成本。因此，超临界干燥和常压干燥是目前最常采用的两种干燥方法。

2 SiO2气凝胶典型性能的研究进展

2.1改善SiO2气凝胶热学性能的研究

纤细的纳米网络结构使得SiO2气凝胶具有极低的固态和气态热导率，然而纯SiO2气凝胶对波段为2～8μm的红外辐射是几乎透过的，在高温状态下，这一波段的热辐射能量将几乎全部通过气凝胶，导致SiO2气凝胶的热导率急剧上升，为了减小辐射热导率，就需要在气凝胶中复合可以吸收或散射红外光的遮光剂。使用的较多的遮光剂主要有:炭、二氧化钛(TiO2)、钛酸钾鲸须等［34］。Te-Yu Wei［35］等在气凝胶中掺杂碳纳米纤维，实现SiO2气凝胶在500℃下的热导率为0.050 W/m·K。Dmitry V.Fomitchev［36］等人在溶胶-凝胶过程中掺杂TiO2、ZrSiO4等遮光剂，使SiO2气凝胶隔热性能比传统的保温隔热材料提高40%－60%。Young-Geun Kwon［37］等人制备了掺杂TiO2粉末的SiO2气凝胶，使其在常温和400℃下的热导率分别低至0.0136 W/m·K和0.0284 W/m·K。图2为美国NASA测试得到的不同氧化钛掺杂浓度的氧化硅气凝胶在不同温度下的热导率曲线［38］。由图可见，掺杂氧化钛可以很好地抑制氧化硅气凝胶在高温下的热导率。

图2 不同氧化钛掺杂浓度的氧化硅气凝胶在不同温度下的热导率曲线［38］Fig.2 Thermal conductivity of silica aerogels with different concentrations of TiO2under different temperatures

本课题组研究了遮光剂掺杂SiO2气凝胶的结构及热学、力学性能。以正硅酸乙酯或正硅酸甲酯为源，以TiO2粉末或钛酸丁酯水解缩聚产物作为红外阻隔剂，通过溶胶-凝胶及干燥过程制备了掺杂遮光剂SiO2气凝胶。当TiO2的掺杂量为20%(质量分数，下同)时，密度为260mg/cm3的SiO2气凝胶在800K下的热导率低至0.038 W/m·K。并且研究了不同的遮光剂掺杂量对气凝胶的结构和高温热导率的影响，及不同的压强和温度下的热导率变化规律［9，10，12，39］。这些研究对SiO2气凝胶热学性能的改善起到了促进作用。

2.2SiO2气凝胶的光学性能研究

气凝胶的透明性在许多应用当中扮演了非常重要的角色。例如，人们将SiO2气凝胶作为切伦科夫探测器和双层玻璃保温、屋顶采光保温等透明保温材料［25］来用，而这些应用均要求气凝胶的透明性越高越好。因此，科研人员进行了大量的尝试以改变其光学特性。通过实验发现，前驱体的种类、溶胶-凝胶参数、不同的添加剂、干燥及热处理等因素都对气凝胶的光学性能有显著的影响［40］。

采取不同的前驱体，比如正硅酸四乙酯(TEOS)、正硅酸四甲酯(TMOS)、水玻璃等，会显著影响气凝胶的光学性能。Russo和Hunt以TMOS或TEOS为硅源，制备了不同条件下的气凝胶以寻求最佳的前驱体组成以及最佳凝胶条件［41］。实验发现，由TMOS制备的气凝胶比由TEOS制备的气凝胶散射小9倍，具有更高的透明度。Emmerling［42］等人分别以TMOS、水玻璃为源制备了SiO2气凝胶，结果发现，由水玻璃制备的气凝胶光学性能最差，这是由于骨架颗粒较大以及凝胶骨架中存在钠离子所致。因此，一般情况下，不同前驱体制备出的气凝胶光学性能按下列顺序依次变差:TMOS＞TEOS＞水玻璃。

溶胶-凝胶参数对气凝胶的光学性能同样有显著的影响。Emmerling［42］等人研究了pH值对TMOS体系光学特性的影响。发现在pH值为1或13处有两个消光极小(透过性最高)。他们发现要提高气凝胶的光学特性就必须使凝胶骨架颗粒变小。在上述的水解缩聚过程中加入过量的水也能提高气凝胶的光学性能。其后，该研究小组用一步法以及两步法制备了SiO2气凝胶，并研究了这些SiO2气凝胶的光学性能与其骨架结构的关系。结果发现，二步法制备的气凝胶比一步法要好，可能是第一步酸催化所得的团簇较小［42］，后来Cao和Hunt等人也证实了这种推测［43，44］。通过降低水的浓度以及反应温度也可提高气凝胶的透光性能［41］。

通过添加合适的添加剂及采用不同的干燥和处理条件，会使气凝胶块体具有不同的光散射，进而影响其光学性能。Adachi［45］等在溶胶-凝胶过程中引入二甲基甲酰胺(DMF)，制备出了折射率大于1.03的气凝胶。此外，用CO2干燥比用乙醇干燥所得的气凝胶更透明;另外，对气凝胶进行热处理以除去水分及有机物也有利于增强其透光性能［46］。

综上所述，若要提高气凝胶的光学性能，需选择合适的前驱体和溶胶-凝胶参数，采用合适的添加剂和适当的干燥方法，减低凝胶骨架颗粒的大小，提高其结构均匀性。

2.3SiO2气凝胶的力学性能研究

由于SiO2气凝胶的脆性，通常需要对SiO2气凝胶进行复合掺杂改善其力学性能。纤维或多孔陶瓷复合和有机-无机复合是目前最主要的两种改善方式。

纤维由于具有较低的密度和较高的抗拉抗压强度而被广泛用作增强材料。如玻璃纤维、氧化硅纤维、氧化铝纤维、硼硅酸铝纤维、水镁石(化学组成: MgO 69.12%，H2O 30.88%.)纤维、硅酸铝纤维、莫来石纤维等。多孔陶瓷因其多孔性和较高的机械强度也被用作气凝胶增强材料。如氧化硅、氧化锆、氧化铝等多孔陶瓷。Sa Li［47］等用氧化钇掺杂的氧化锆多孔陶瓷复合SiO2气凝胶，不仅保持了极低的热导率，同时也使其压缩强度提高到30MPa以上。

本研究采用掺杂10%的陶瓷纤维，使SiO2气凝胶的机械强度由1.6×104Pa增加到9.6×104Pa，常温下的热导率为0.029 W/m·K［8，15］。此外，还通过掺杂多种纤维(20%高岭石、10%陶瓷纤维、10%绿坡缕石)使SiO2气凝胶的机械强度由纯气凝胶的1.8×104Pa增加到1.2×105Pa，而常温下热导率仍低于0.02 W/m·K［48］。

机械强度的提高和成本的降低，使气凝胶成为实用的隔热材料，那么有机-无机复合会起到关键作用。最近主要有以下两种有机-无机复合方法［49］:1)将气凝胶颗粒或粉末与粘结剂复合;2)在溶胶-凝胶当中或者是后期改性过程中复合有机聚合物。

通过将气凝胶颗粒与粘结剂复合，可以得到粘着的微粒块，从而制备出具有良好的隔热和隔声且有较高机械强度的绝热材料。M.Schmidt等用两类粘结剂和SiO2气凝胶颗粒混合压制成绝缘薄片。其中用分散体系(湿粘结剂)乙烯基醋酸盐溶液与SiO2气凝胶颗粒混合得到的薄片厚度为20mm，当其中SiO2气凝胶颗粒的体积比≥90%时，热导率能低达0.025 W/m·K。此外在混合物中掺杂一定量的纤维或铝箔碎屑可以提高混合物的机械强度而不会显著地降低其绝热性能。威廉·C·阿克曼等［50］用SiO2气凝胶颗粒、含水粘合剂、增强纤维和发泡剂制成绝缘基层，用保护粘合剂和红外反射剂制成热反射层，然后将制得的热反射层涂布到绝缘基层的表面最终制备出具有广泛应用价值的气凝胶粘合剂组合物绝缘复合材料。其样品不仅热导率低(约0.0315 W/m·K)，而且力学性能显著提高，并且能在较高的温度下使用。

以上方法没有从本质上提高SiO2气凝胶的机械强度。如果在溶胶-凝胶或后期改性过程中复合有机聚合物，对纳米网络结构进行改善和控制，就可以从本质上提高其机械强度，且不显著升高热导率。目前，这种有机-无机复合方法主要包括:1)富含羟基的表面与异氰酸酯类聚合物的交联，2)富含胺基的表面与异氰酸酯类、环氧化物、苯乙烯类聚合物的交联，3)其它基团聚合物的交联［51－53］。图3所示为富含羟基表面和富含胺基凝胶表面的交联过程、机理及所得气凝胶的力学性能。

图3 (a)富含羟基的SiO2凝胶表面与异氰酸酯类聚合物的交联机理;(b)异氰酸酯交联气凝胶的力学性能; (c)富含胺基凝胶表面的交联反应;(d)氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)改性的气凝胶与三环氧化物的交联［51，54］Fig.3(a)Mechanism of cross-linking a hydroxyl-riched silica with a diisocyanate;(b)the mechanical property of the aerogel cross-linked by diisocyanate;(c)cross-linking amine-modified silica;(d)cross-linking APTES-modified silica with a triepoxide

第一种复合方法通过异氰酸酯的异氰酸基团(－N=C=O)与SiO2凝胶表面的羟基(－OH)反应而实现交联。Nicholas Leventis等［54］用42wt%的六亚甲基二异氰酸酯改性反应后的湿凝胶经过超临界干燥制备出了机械强度为纯SiO2气凝胶100倍的复合气凝胶块体(图3b)，其弹性模量可达12.5MPa。A.Rigacci等［55］将二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)复合SiO2气凝胶提高了力学性能，用于超级保温隔热。

第二种复合方法通过改性到SiO2凝胶表面的胺基(－NH2)与特定聚合物反应而实现交联。Meador M A B［53，56－58］等将胺基改性的SiO2湿凝胶与异氰酸酯类、环氧化物、苯乙烯类聚合物交联，使SiO2气凝胶不仅具有较高的比表面积(300～400m2/g)、较低的热导率(常温常压下为～0.041W/m·K)，并且使其压缩强度显著提高。

通过其他基团聚合物的交联同样能够提高SiO2气凝胶的力学性能。Laura Martin［59］等以甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(TMSPMA)和正硅酸甲酯为源制备得到力学性能改善同时疏水的有机无机复合气凝胶。A.Fidalgo等［49，60］用两步法，即含有过量水的TEOS(溶在丙醇中)与用三甲氧基硅烷改性的聚合体PNP(甲基丙烯酸丁酯与丙烯酸丁酯混合溶液)发生水解作用，合成了湿凝胶，然后亚临界干燥得到了稳定性好，适合机械加工的SiO2复合气凝胶。SiO2-PNP复合气凝胶的合成机理如图4所示。获得的复合气凝胶机械性能显著提高，且没有影响结构，也没有降低孔隙率。当掺杂3%的PNP时，比表面积为7 6 6 m2g－1，孔隙率为8 3%，杨氏模量E可达44MPa，最大压缩强度σ为4.24 MPa。这是最稳定也是机械性能最好的气凝胶之一。具有这种优异性质的气凝胶复合材料将在高性能保温绝热应用中占有重要一席。

图4 SiO2-PNP复合气凝胶的合成示意图［49，60］Fig.4 Reaction scheme to obtain SiO2-PNP aerogels

2.4SiO2气凝胶的疏水改性研究

在实际应用当中，为提高气凝胶的耐候性，或者为了实现常压干燥，很多情况下需要对凝胶进行疏水处理。一般来说，凝胶表面改性使其疏水的方法有以下两种。

第一种是在凝胶形成后，用表面改性剂对SiO2凝胶表面进行改性，使其具有疏水性，我们称之为后疏水溶胶-凝胶体系［61］。实验常用的表面改性剂有三甲基氯硅烷(TMCS)、六甲基二硅胺烷(HMDS)、甲基三甲氧基硅烷(MTMS)、二甲基二乙氧基硅烷(DMMOS)等等［61，62］。这些表面改性剂均通过Si—Cl，—Si—NH—Si—以及硅烷氧基团(Si-OR)同凝胶表面的活性基团羟基(－OH)反应引入Si-CH3等疏水基团而实现其疏水改性。其表面改性机理如图5所示。一般的常压干燥方法大多采用此类方式进行表面改性，以防止干燥过程中因为SiO2颗粒表面相邻的－OH之间发生缩合而使结构坍塌。采用该种改性工艺得到的气凝胶效果比较理想，其不仅具有高的比表面积、高的孔隙率同时还具有优良的疏水性能。但由于溶剂替换工艺次数较多，这种表面改性方法增加了工艺的成本和周期。

图5 SiO2气凝胶的表面改性机理Fig.5 Surface chemical modification mechanism of silica aerogels

第二种是通过选用RSi(OR)3类化合物作为水解和缩聚的源物质，通过对化合物中R基团的选择和RSi(OR)3/Si(OR)4比例的调节，在水解和缩聚后获得具有一定憎水性表面的凝胶骨架，由于不需要单独的改性工艺，因此称之为自疏水溶胶-凝胶体系［63－66］。图6所示为以MTMS为源制备疏水气凝胶的制备流程、疏水及弹性性能测试［64，65］。该工艺不仅可以减少溶剂替换次数，降低工艺成本和缩短工艺周期，还可以提高其韧性，改善其力学性能。

图6 以MTMS为硅源制备疏水和弹性气凝胶的制备流程(a)、弹性性能(b)、疏水性能及样品照片(c)［64，65］Fig.6 Preparation process of hydrophobic，elastic aerogels from MTMS(a)，the elastic property(b)，the hydrophobicity and aerogel photograph(c)

本研究以MTMS为硅源，水为溶剂，CTAB为表面改性剂使MTMS分散在水中，采用酸碱两步法，经超临界干燥和常压干燥两种干燥方法制备了超疏水SiO2气凝胶，其接触角达到了158°(图6c)［64.65］。该方法制备的气凝胶不仅具有超级绝热性能(常温常压下热导率低至0.028W/m·K)，同时具有优良的弹性性能，这将极大地促进气凝胶在保温隔热领域的应用。

3 气凝胶材料在航空领域的发展趋势

因气凝胶材料具有优异的保温隔热性能、极低的密度、阻燃、良好的光透过性等优点，使其与传统的低温保温隔热材料相比具有巨大的优势。因此，气凝胶在航空航天、油轮和车辆等交通工具以及输油和蒸汽等工业管道、电器及纺织品、建筑等低温保温隔热领域具有广泛的应用前景。

1997年美国宇航员将气凝胶作为隔热材料被率先用在航天领域的火星探测器——探索者号火星车上面。在探测器执行任务过程中，夜间温度降至－67℃，而内部则稳定的维持在21℃。这使得火星车中非常敏感的电子设备和电池免受低温的破坏。保护时间长达三个月，远远大于预期［25］。2008年，美国国家航空航天局(NASA)肯尼迪太空中心报道了气凝胶在运载火箭液氢储罐绝热中的应用。他们将气凝胶置于LH2储罐的表面进行绝热。在这体系中，气凝胶能经受－147℃的低温，而传统的绝热材料则难以实现。采用气凝胶之后，航天飞机减重达230kg［67］。欧洲在卫星运载研究中也在应用气凝胶来绝热［25］。由此可见，气凝胶材料的优异性能使其能够应用于极端条件下的保温隔热。

另外，作为运载飞机器的航母等船只在海洋中穿行，也需要保温隔热材料对其进行保护。海洋石油及天然气游轮及管道保温隔热是美国阿斯彭(Aspen)气凝胶保温隔热毡最早的应用领域。2002年，美国阿斯彭气凝胶公司将气凝胶与纤维等增强体复合开发出了一种特殊的低温气凝胶保温隔热毡——冷凝胶Z［25］。美国卡伯特(Cabot)公司也在供应填充气凝胶的压缩材料，可供轮船衬里及管道几何体等这些更复杂低温体系的保温绝热，是一种很有前景的可替代传统的保温隔热毡的材料［25］。优越的保温隔热性能、改善的抗化学/压力性能及低装配成本使其成为此类应用的理想替代材料。衣服、鞋子、手套、暖脚器、帐篷、睡袋等都可装配气凝胶保温绝热层［25］。2007年，美国阿斯彭公司正开始用气凝胶制作太空服的保温隔热衬里，以便为2018年的人类登陆火星计划做准备。该公司一位科学家认为，18mm厚的气凝胶衬里就足以帮宇航员隔绝－130℃的低温。2006年，英国登山爱好者安妮·帕门特在攀登珠穆朗玛峰时所穿的靴子和所用的睡袋都填充了气凝胶材料。随着市场容量的扩大和消费者意识的提高，这些产品在高端保温绝热产品领域将有巨大的潜在竞争力。

与此同时，超级绝热性能和透光性能使得SiO2气凝胶成为节约能源、环境友好、充分利用太阳能的绝佳建筑保温绝热材料［25］。寒冬外墙的热散失是建筑能耗的一项重要因素，这也使得气凝胶在建筑工业领域具有巨大的应用潜力。随着气凝胶价格的下降，使用气凝胶节省出的空间将会很大程度上弥补其额外的成本。

4 气凝胶与主流低温隔热材料的优劣分析

气凝胶通常具有胶体颗粒或高聚物分子相互聚结而成的纳米多孔网络结构，并是在空隙中充满气态分散介质的一种高分散性的轻质纳米多孔固体材料。与传统的保温隔热材料相比，气凝胶最显著的优势之一是具有更低的热导率(图7)［1］，因此具有更优异的保温隔热性能。另外一个优势就是其密度极低(最低～3mg/cm3)，而这种极低的密度是一般的保温隔热材料所不能达到的，这不仅使得它便于运输和降低承重。而且由于它是无机材料，不燃烧，具有阻燃性能，使用更加安全。除此之外，氧化硅气凝胶在－200℃-1000℃范围内都能使用。这对于极端条件下的保温隔热(比如LNG存储和运输)具有非常大的好处，是一种潜在应用价值非常大的材料。

图7 气凝胶与传统保温隔热材料的保温隔热性能对比。PUR:聚氨酯泡沫;CFC:氯氟烃;EPS，XPS:膨胀性聚苯乙烯和挤塑聚苯乙烯［1］Fig.7 Comparison of the thermal insulation properties of silica aerogels and some traditional insulating materials.PUR:polyurethane foam，CFC: chlorofluorohydrocarbons;EPS，XPS: expanded and extruded polystyrene

然而气凝胶也有其缺陷:成本相对较高，目前还没有大规模地工业化生产;机械强度低，易碎，容易变成粉末状，需要与纤维、陶瓷等增强体复合才可大量使用。令人可喜的是，近年来，随着气凝胶研究的不断深入，其成本不断下降，力学性能也在逐步改善。可以预计，在不远的将来，气凝胶在低温保温隔热领域有望实现工业化生产应用。

4 结束语

SiO2气凝胶作为一种新型高效的保温隔热材料，由于其特有的纳米多孔结构，使它具有优异的保温隔热性能、超低的密度、阻燃、良好的光透过性等优点。在制备过程中通过选取合适的原料配比、pH值、干燥条件等工艺参数以及复合掺杂的方法可以有效地调节其微观结构，并以此来实现和调节不同的性能，比如保温隔热、力学、光学、疏水等性能。目前SiO2气凝胶隔热材料的研究主要集中在以下三个方面:1)通过纤维或陶瓷复合及有机-无机复合方式改善其机械强度;2)通过添加红外遮光剂、调节工艺参数等方式提高其低温、常温及高温下的保温隔热性能;3)采用廉价的硅源，通过表面改性、添加表面改性剂降低表面张力等工艺，常压干燥来降低其制备成本。

目前，干燥技术是SiO2气凝胶制备的难点所在，它无疑是气凝胶成本降低的瓶颈，也正因为如此，现在气凝胶还不能实现商业化应用。未来SiO2气凝胶的研究的重点将是力学性能的改善和制备成本的降低。随着气凝胶制备技术的逐步发展，其成本的不断下降，及力学、耐久性等性能的逐步改善，在不久的将来，气凝胶在航空航天、油轮和车辆等交通工具以及输油和蒸汽等工业管道等低温保温隔热领域具有巨大的应用潜力，有望替代传统的保温隔热材料。

致谢

本课题得到了同济-拜耳生态建筑与材料研究院的支持。

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Silica Aerogel Materials:Preparation，Properties，and Applications in Low-Temperature Thermal Insulation

ZHANG Zhi-hua，WANG Wen-qin，ZU Guo-qing，SHEN Jun，ZHOU Bin，LIAN Ya
(Shanghai Key Laboratory of Special Artificial Microstructure Materials and Technology，Pohl Institute of Solid State Physics，Tongji U-niversity，Shanghai200092，China)

Owing to the unique nanoporous structure，SiO2aerogels have many extraordinary properties that other materials cannot match，such as extremely high porosity，high specific surface area，extremely low thermal conductivity and low density.These extraordinary properties enable SiO2aerogels to have great application potential in efficient thermal insulation and sound insulation，etc.In this review，the sol-gelpreparation process and mechanism of silica aerogels are studied，and the thermal，mechanical，optical and hydrophobic properties of silica aerogels are overviewed.Meanwhile，the relationship between the microstructure and their properties are analyzed.Current application situation and potential of silica aerogels on low-temperature thermal insulations are introduced.

silica aerogel;preparation;low-temperature thermal insulation;hydrophobic properties

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.1.015

O648

A

1005-5053(2015)01-0087-10

2014-06-16;

2014-11-28

国家科技支撑计划项目(2013BAJ01B01);上海市科委纳米专项(11nm0501600，12nm0503001);国家高技术研究发展计划(2013AA031801)

张志华(1977—)，女，博士，副教授，主要从事纳米多孔材料研究，(E-mail)zzhtj@tongji.edu.cn。