潘月磊，程旭東，閆明遠，何盼，張和平

（中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥 230027）

二氧化硅氣凝膠是由納米二氧化硅顆粒相互連接形成的多孔三維網(wǎng)絡結構固體[1?2]，通常通過溶膠?凝膠化學合成，國際純粹與應用化學聯(lián)合會（IUPAC）將其定義為“Process through which a network is formed from solution by a progressive change of liquid precursor(s) into a sol, to a gel, and in most cases finally to a dry network”[3]，中文含義為“通過液體前驅體逐漸轉變?yōu)槿苣z、凝膠，并最終由溶液形成干燥網(wǎng)絡的過程”。二氧化硅氣凝膠具有超低堆密 度（0.003～0.200g/cm3）[4?5]、高 孔 隙 率（80%～99.8%）[4?6]、大比表面積（500～1500m2/g）[7?8]及低熱導率[0.015～0.030W/(m·K)][1,8]等優(yōu)異性能，在保溫、隔音、吸附和光催化等領域均擁有廣闊的應用前景，被譽為“將改變世界的神奇材料”。自從二氧化硅氣凝膠首次于1931 年被美國科學家Kistler發(fā)明以來，至今已經(jīng)90 余年。雖然二氧化硅氣凝膠發(fā)展歷程較長，但是其真正實現(xiàn)商業(yè)量產(chǎn)才有近20年時間。2001年，美國Aspen公司首次實現(xiàn)二氧化硅氣凝膠商業(yè)化生產(chǎn)。然而二氧化硅氣凝膠的應用范圍仍然受限，其大規(guī)模推廣仍存在諸多問題：一方面，二氧化硅氣凝膠自身較脆，力學強度差，無法直接應用；另一方面，現(xiàn)在二氧化硅氣凝膠生產(chǎn)普遍采用技術門檻要求相對較低的超臨界干燥方法，但該方法投入較大，制備成本較大，導致二氧化硅氣凝膠產(chǎn)品價格居高不下。為了解決以上問題，國內外學者開展了廣泛和深入的技術攻關。針對二氧化硅氣凝膠力學性能差的問題，目前主要利用二氧化硅氣凝膠與增強相復合，從而提高氣凝膠的力學性能，增強相主要包括無機纖維、有機纖維、高分子骨架等。以上形式的產(chǎn)品主要用于軍用裝備保溫、輸油管道保溫、建筑外墻保溫等。此外，還有用玻璃作為包覆層制成氣凝膠保溫隔熱玻璃。針對二氧化硅氣凝膠制備成本高的問題，主要通過常壓干燥工藝替代超臨界干燥工藝方法，從而從根本上降低二氧化硅氣凝膠的生產(chǎn)成本。但常壓干燥方法技術門檻高，工藝復雜，常壓干燥得到的二氧化硅氣凝膠品質參差不齊，目前主要小范圍應用于氣凝膠涂料以及混凝土砂漿等。本文旨在對二氧化硅氣凝膠制品在保溫隔熱領域的應用發(fā)展動態(tài)進行分析總結，同時對其未來應用趨勢進行展望。

1 二氧化硅氣凝膠的合成

用以制備二氧化硅氣凝膠的前體可以是無機金屬鹽或硅醇鹽[9?11]，其中硅醇鹽具有化學性質相對簡單、純度高、易于功能化等優(yōu)點，使其成為二氧化硅溶膠?凝膠化學中最常用的前體，例如正硅酸四甲酯（TMOS）[12]或正硅酸四乙酯（TEOS）[13]。在反應活性上，TMOS 的活性比TEOS 更好，水解速度更快且生成的Si—OH 聚合更容易進行[14]。然而TMOS成本更高且水解時生成的甲醇對環(huán)境和人體有較大危害，因此目前最為常見的硅醇鹽仍為TEOS[15?16]。二氧化硅氣凝膠的制備過程主要包括水解、縮聚、老化、干燥。典型的制備流程如圖1所示。

圖1 典型的二氧化硅氣凝膠合成示意圖

（1）水解 以TEOS 為例，在催化劑的作用下硅源水解后形成溶膠，生成物中活性Si—OH增多，為后續(xù)縮聚反應提供活性反應位點[17]。

（2）縮聚 在合適的催化劑作用下，活性Si—OH之間發(fā)生聚合，形成—Si—O—Si—長/短鏈相互連接的三維骨架凝膠[18]。根據(jù)使用的分散介質分類，凝膠可以分為水凝膠和醇凝膠。

（3）老化 通常將凝膠浸泡在母液中老化，從而增強凝膠強度，降低干燥過程中骨架坍塌和收縮風險[19]。

（4）干燥 在保留凝膠三維骨架結構完整的條件下去除孔隙中的液體，因此該過程需要采用特殊的干燥處理方法[20]。

二氧化硅氣凝膠制備過程中最為關鍵的環(huán)節(jié)是干燥環(huán)節(jié)，在保持凝膠網(wǎng)絡不被破壞的前提下從基質中去除溶劑，從而產(chǎn)生體積和形狀不變的多孔固體。在干燥過程中，有兩個主要因素影響凝膠的固體多孔結構：①三維網(wǎng)絡骨架不可避免的部分坍塌，主要是因為凝膠體內部微收縮產(chǎn)生壓力梯度，最終導致三維骨架裂縫生成；②由于整個三維網(wǎng)絡中的孔隙尺寸不同，具有不同半徑的相鄰孔隙顯示出不同的“彎月面”消退速率（在較大的孔隙上更快），最終不同尺寸的孔之間的壁面承受不均勻的應力從而發(fā)生結構破壞。目前常用的干燥技術包括超臨界高壓干燥、冷凍干燥和常壓干燥。其中，超臨界高壓干燥工藝的技術門檻低、干燥效果好，是目前最普遍應用的干燥方法。然而超臨界高壓干燥方法設備復雜、高壓工藝較危險且成本高，因此低成本的常壓干燥方法是未來發(fā)展趨勢。在常壓干燥過程中，濕凝膠孔隙中的溶劑以三種狀態(tài)共存：充滿孔隙的液體、氣液過渡相和氣相。干燥時三維孔隙中不斷后移的彎月液面會引起較高的毛細管壓力（在納米孔內可以達到幾百bar，1bar=0.1MPa）[21]。當干燥過程中的毛細管壓力差超過二氧化硅三維骨架結構的彈性極限時，內部結構將被破壞，最終得到破碎且收縮嚴重的顆粒狀二氧化硅氣凝膠。目前已報道的減少氣凝膠在常壓干燥過程中骨架坍塌的方法主要有老化控制[22]、低表面張力溶劑置換和表面改性[23]等方法。但干燥效果與超臨界干燥方法仍有差距，如何優(yōu)化制備工藝從而提高常壓干燥制備氣凝膠的品質是當前研究的主要技術難點。此外，常壓干燥工藝通常需要進行醇溶劑交換[24]和硅烷表面改性[25]，以上過程將消耗大量有機溶劑，設計全新反應路徑以減少溶劑用量是其第二大技術難題。

2 二氧化硅氣凝膠力學性能增強方法

二氧化硅氣凝膠是具有珍珠項鏈狀骨架網(wǎng)絡的多孔固體材料[圖2(a) (b)]，典型的等溫吸脫附曲線如圖2(c)所示。從圖中可以看到氣凝膠的等溫吸脫附曲線是帶有H3 型磁滯回線的Ⅳ型等溫線，說明氣凝膠的微觀孔隙含豐富的介孔結構，圖2(d)也表明氣凝膠的孔徑主要分布在20～40nm 之間且孔隙率極高（>90%）。然而，氣凝膠內部納米顆粒之間的頸部區(qū)域機械強度較差，受壓后極易破碎，嚴重限制了二氧化硅氣凝膠的推廣應用[26?27]。近年來，科學家們在二氧化硅氣凝膠力學性能增強方法方面做了大量努力，主要方法包括老化條件優(yōu)化方法、熱處理方法、纖維復合增強方法和高分子聚合物復合增強方法等。以上方法各有優(yōu)劣，需要根據(jù)不同應用場景進行選擇。

圖2 典型的二氧化硅氣凝膠微觀結構及實物圖（1?=0.1nm)

（1）老化條件優(yōu)化方法 濕凝膠形成后，在其骨架界面仍然進行著緩慢的粒子溶解與沉淀的反應（Ostwald 熟化機制）[28]，因此通過改變濕凝膠老化過程中的溫度、時間和浸泡液體種類等條件可以粗化凝膠骨架頸部，從而增強氣凝膠的力學性能。Smith 等[29]通過優(yōu)化老化溫度和時間將二氧化硅氣凝膠的剪切模量提高了2倍，但其力學性能仍然較差，僅能在氣凝膠窗戶和太陽能電池板等特殊場景應用。

（2）熱處理方法 將二氧化硅氣凝膠進行熱處理能夠使三維骨架致密化，從而提升其骨架強度。Rolison 等[30]通過900℃熱處理使得氣凝膠的壓痕模量和硬度分別提高了3.1倍和2.4倍，但氣凝膠仍顯脆性，大規(guī)模應用受限。

（3）纖維復合增強方法 該方法是將纖維與氣凝膠復合，以纖維作為支撐相從而改善氣凝膠的力學性能。根據(jù)纖維的類型，可以將纖維氣凝膠復合材料分為無機纖維增韌二氧化硅氣凝膠復合材料和有機纖維增韌二氧化硅氣凝膠復合材料。無機纖維具有高熱穩(wěn)定性和低熱膨脹系數(shù)，制備得到的無機纖維?氣凝膠復合材料可以應用在500℃以上的高溫隔熱領域[31]。有機纖維可以賦予二氧化硅氣凝膠復合材料更好的柔韌性和氣凝膠結合強度[32]，但有機纖維?氣凝膠復合在高溫下的耐受性較差。

（4）高分子聚合物復合增強方法 高分子聚合物力學性能優(yōu)異，一般具有高彈形變和黏彈性，因此將其與二氧化硅氣凝膠復合可以增強氣凝膠的柔韌性和壓縮強度。按照高分子聚合物與二氧化硅氣凝膠的結合方式可以將復合材料分為共凝膠型、涂層型和表面反應型。Boday 等[33]首先采用(氨基丙基)三乙氧基硅烷與四乙氧基硅烷共聚制備得到胺改性二氧化硅氣凝膠，然后將氰基丙烯酸甲酯蒸氣吸附在氣凝膠上并在胺基的引發(fā)下發(fā)生自身的聚合，最終得到高分子聚合物?氣凝膠復合材料。所得復合材料（0.095～0.230g/cm3）的彎曲強度比純氣凝膠高31 倍，并且能夠支撐其自身質量3200 倍的物體而保持結構的完整。應用該方法時需注意調控聚合物與氣凝膠的比例，若聚合物含量過高容易降低氣凝膠的孔隙率，從而降低氣凝膠的保溫隔熱性能[34]。

3 氣凝膠在保溫領域的應用

得益于二氧化硅氣凝膠眾多優(yōu)異特性，其已成功應用在眾多領域，如催化劑載體材料[35]、隔音材料[36]、保溫隔熱材料[37]、有毒氣體吸附材料[38]和宇宙塵埃收集材料[39]等，展現(xiàn)了氣凝膠巨大的應用前景。本文著重介紹二氧化硅氣凝膠在保溫隔熱領域應用的研究進展，分析其在應用過程中的共性技術難點和發(fā)展趨勢，以期拓展氣凝膠研究和應用領域。

3.1 航空航天

高性能隔熱材料是航空航天飛行器熱防護的關鍵組件之一，對于高超聲速飛行器而言，在長時間承受氣動加熱條件下[40]，機體表面會產(chǎn)生極高的溫度，為避免飛行器主體結構及內部儀器設備受熱侵蝕危害，選擇綜合性能優(yōu)異的隔熱材料至關重要。一方面，隔熱材料需要有效阻隔外部熱量流向機體內部，以免影響機體相關設備正常工作；另一方面該隔熱材料需要具備較好的熱穩(wěn)定性和輕質特性，其對提高導彈、航天飛行器的有效載荷，增大飛行距離都具有重要意義[41]。二氧化硅氣凝膠密度僅約0.08g/cm3，室溫熱導率低至0.016W/(m·K)，能夠滿足航空航天對于輕質高效隔熱材料的需求[42]。

目前Aspen Systems 公司制備的纖維增強二氧化硅氣凝膠復合材料已應用到美國航空航天局相關項目中[43]，如通過將氣凝膠與陶瓷纖維、有機纖維等復合得到復合功能化材料，成功應用于火星探測器的溫度敏感探頭外部保護及星云捕獲器上，同時二氧化硅氣凝膠復合材料在高超聲速飛行器、超聲速巡航導彈的內部熱防護方面均得到成功應用[44?45]。美國航空航天局開發(fā)的陶瓷纖維基?二氧化硅氣凝膠復合材料已成功用作航天器端面以及燃料箱隔熱材料，其不僅可以隔熱，也可防止深冷燃料箱在發(fā)射前凍結。該材料的隔熱性能比現(xiàn)有航天器隔熱瓦高10～100倍，同時具有耐溫高的顯著優(yōu)勢。陶瓷纖維?SiO2氣凝膠復合材料還被應用在飛機黑匣子上以及英國美洲豹戰(zhàn)斗機的機艙隔熱層（圖3）。

圖3 英國“美洲豹”戰(zhàn)斗機的駕駛艙機艙采用氣凝膠隔熱材料

二氧化硅氣凝膠輕質、低熱導率的特性使其成為航空航天隔熱材料中最受關注的材料之一，但二氧化硅氣凝膠在航空航天應用中還存在如下兩個問題：①氣凝膠自身的力學強度低，因此在航空航天領域應用中通常需要將氣凝膠與纖維材料復合從而克服其力學性能較差的缺陷；②二氧化硅氣凝膠的極限工作溫度通常為600℃，無法適用于現(xiàn)在日益快速發(fā)展的超聲速或超高聲速飛行器端面隔熱，未來還需要考慮通過多相態(tài)融合和微結構設計，將二氧化硅氣凝膠的應用溫區(qū)向更高溫度拓展。

3.2 軍工領域

軍工領域對高性能技術產(chǎn)品的需求比民用領域更為強烈，二氧化硅氣凝膠作為新型高性能保溫隔熱材料的重要一員得到了軍工領域的青睞。美國Aspen公司較早開展了二氧化硅氣凝膠在新型驅逐艦結構防火墻隔熱系統(tǒng)、運載火箭燃料低溫貯箱以及閥門管件保溫系統(tǒng)等應用研究[46]。如圖4 所示，印度海軍“INS Arihant”戰(zhàn)略導彈核潛艇的腔體采用氣凝膠進行保溫隔熱，從而減少傳統(tǒng)保溫隔熱材料排放的NOx。此外，美國NASA Ames 研究中心[47]以硅酸鋁纖維為支撐骨架，用二氧化硅氣凝膠填充耐火纖維骨架中孔隙從而制備得到硅酸鋁纖維增強的SiO2氣凝膠隔熱瓦，已運用到核潛艇、蒸汽動力導彈驅逐艦的核反應堆。該材料要比普通的耐火纖維材料熱導率更低，可有效降低保溫隔熱材料的用量并增大艙內的使用空間，同時可以維持艙內溫度，改善艙內工作環(huán)境。該隔熱瓦還應用在武器動力裝置上，阻隔熱輻射，有利于武器裝備的反紅外偵察[48]；此外，氣凝膠在軍用熱電池上也有應用，能夠提高軍用熱電池的熱壽命[49]。

圖4 印度“INS Arihant”戰(zhàn)略導彈核潛艇的腔體采用氣凝膠保溫隔熱材料

賦予二氧化硅氣凝膠更多功能是其在軍工領域應用研發(fā)的主要方向之一，例如軍用防護服除需具備保溫隔熱功能，還要求具備紅外屏蔽功能（隱身），從而更好適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭需求。因此，如何實現(xiàn)二氧化硅氣凝膠的多功能化設計是其在軍工領域應用中需要思考的重要問題。

3.3 工業(yè)儲罐及管道

對石油化工、工業(yè)、城鎮(zhèn)供暖等熱力管道進行保溫處理可以降低熱量損失，同時可有效減少管裂和腐蝕等情況發(fā)生，是工業(yè)生產(chǎn)中必要的節(jié)能措施。目前市面上常見的暖通等生活管道的保溫材料主要是有機高分子類泡沫，例如聚氨酯泡沫、酚醛泡沫、聚苯乙烯泡沫等，然而這些材料易燃，火災危險性大。而二氧化硅氣凝膠安全、質輕、隔熱性能好，綜合性能優(yōu)勢大。研究[50]表明將氣凝膠隔熱復合薄膜材料覆蓋在金屬管道表面，覆蓋后的材料熱導率可降低至0.084W/(m·K)。此外，覆蓋氣凝膠復合薄膜后的管道材料的耐火極限時間可達到70min，有效提升了管道安全性。在化工管道保溫應用中主要采用二氧化硅氣凝膠復合氈形式（圖5），無需特殊防水措施（疏水率≥99%），在雨天或潮濕的環(huán)境下仍可施工。此外，氣凝膠復合氈具有較好的抗震抗拉性，在使用過程中無顆粒堆積、沉降等現(xiàn)象，使用壽命長[51]。在直埋蒸汽管道保溫隔熱層應用中，在滿足最大允許熱損失量的前提下，采用二氧化硅氣凝膠復合氈所需的保溫層厚度比玻璃纖維氈可節(jié)省40%～54%，從而減少管道直埋占用空間[52?53]。此外二氧化硅氣凝膠復合氈的力學性能十分優(yōu)異，在10%形變下的抗壓強度≥100kPa，解決了傳統(tǒng)保溫材料結構松散、壓縮形變大、壓縮后熱導率上升明顯的缺點。隨著城市供暖需求增大，供暖管網(wǎng)的鋪設距離由早期的5km 增大到20～30km，因此需要更加有效的保溫措施。二氧化硅氣凝膠氈具有優(yōu)異的保溫性能，在蒸氣溫度高且現(xiàn)場空間狹小苛刻的條件下有更好的發(fā)揮空間。除此之外，二氧化硅氣凝膠氈墊還成功應用到了輸油管道保溫和中海油海南LNG 輸送管線上，管線長時間穩(wěn)定運行驗證了二氧化硅氣凝膠優(yōu)良的保溫隔熱和安全穩(wěn)定性能[54]。

圖5 氣凝膠氈墊在化工管道上應用

雖然二氧化硅氣凝膠在工業(yè)儲罐和管道應用已有應用案例，但是其在該領域大規(guī)模推廣工作仍然任重道遠。這主要是因為二氧化硅氣凝膠與傳統(tǒng)保溫相比，成本仍然較高，因此探索利用低成本常壓干燥工藝替代超臨界干燥工藝，從而降低氣凝膠生產(chǎn)成本是助推其大規(guī)模應用的重要研究方向之一。

3.4 鍋爐

注汽鍋爐正常運行時，其熱損失主要有三個方面[55]：一是排煙熱損失，二是爐體散熱損失，三是未完全燃燒熱損失。當鍋爐長時間運行后，爐內保溫層老化，保溫效果差，熱損失加大，鍋爐保溫性能下降。爐體外表面溫度升高，不僅增大了熱損失，而且還存在一定的安全隱患。利用氣凝膠優(yōu)異的保溫隔熱性能，將其應用于鍋爐表面保溫隔熱可以大幅降低鍋爐表面溫度和鍋爐熱損失。在實際使用中，往往將纖維基體和二氧化硅氣凝膠復合形成氣凝膠氈墊，再應用到鍋爐爐體上。鍋爐使用氣凝膠復合材料后，爐體表面溫度可降低約39℃，熱效率從79.7%提升到81.9%，節(jié)能2.2%[56?57]。KLAY EnerSol 公司研發(fā)的氣凝膠復合材料成功應用于鍋爐爐體、蒸汽管道、接口等區(qū)域（圖6），有效減少熱能損耗。鍋爐溫度一般較高，因此二氧化硅氣凝膠復合材料中的纖維需具備耐高溫性能，使用耐高溫的多晶莫來石纖維與二氧化硅氣凝膠復合是較為優(yōu)選的方案。二氧化硅氣凝膠目前在鍋爐應用較少，主要與其制造成本有關，相對于其他保溫材料，二氧化硅氣凝膠目前的市場產(chǎn)品價格仍然非常昂貴。另一方面，工業(yè)用鍋爐的溫度都較高，氣凝膠長時間工作耐溫極限一般低于600℃，因此其在高溫鍋爐中的應用較為受限，提高二氧化硅氣凝膠耐高溫性能是未來發(fā)展趨勢。

圖6 氣凝膠復合材料在鍋爐系統(tǒng)中應用

3.5 建筑保溫與家居生活

在碳中和的戰(zhàn)略背景下，建筑保溫隔熱材料也向節(jié)能、環(huán)保以及高效等方向發(fā)展。當前市場上主要的建筑保溫材料，如巖棉、玻棉等無機纖維棉，存在纖維結構疏松、易吸濕等問題，使用周期中保溫性能會大幅下降、聚苯乙烯和聚氨酯泡沫等有機保溫材料存在火災風險[58?59]。二氧化硅氣凝膠輕質、導熱低、壽命長且疏水性能好，可以滿足建筑領域的保溫隔熱防火隔音防水等需求。目前，二氧化硅氣凝膠的應用形式主要有氣凝膠節(jié)能玻璃[60]、氣凝膠涂料[61]、氣凝膠氈墊[62]、氣凝膠板材[63]、氣凝膠混凝土和砂漿[64]以及屋頂太陽能集熱器[65]等。

3.5.1 二氧化硅氣凝膠節(jié)能玻璃

透明圍護結構是建筑節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)，其中玻璃作為透明圍護結構的主要材料，其節(jié)能性能至關重要[66]。二氧化硅氣凝膠良好的透光、絕熱和降噪能力使其在建筑領域尤其是建筑玻璃的應用具有明顯優(yōu)勢（圖7）[67]。

圖7 氣凝膠玻璃在民用建筑中的應用[67]

將氣凝膠應用到玻璃中，不僅可減少玻璃的散熱，還能滿足采光需求。在保證外觀和采光的基礎上，二氧化硅氣凝膠玻璃耐熱性更好，抗輻射能力更強，同時還可調色和吸聲，具有顯著應用優(yōu)勢。目前二氧化硅材料在建筑玻璃的應用上主要包括氣凝膠涂膜玻璃[68]、塊狀氣凝膠玻璃[69]和顆粒氣凝膠填充玻璃[70]三種，其制備工藝和性能特點如表1所示。

表1 不同SiO2氣凝膠玻璃制備工藝流程及特點

氣凝膠玻璃仍處于工業(yè)研發(fā)階段，相關技術壁壘高，在實際中只有少量的工程應用。目前已有的生產(chǎn)顆粒氣凝膠填充玻璃的廠家也主要集中于歐美發(fā)達國家，國內2015 年首次在長沙實現(xiàn)量產(chǎn)[71]，但氣凝膠玻璃仍處于起步階段，離實際應用仍任重道遠。

3.5.2 二氧化硅氣凝膠涂料

氣凝膠保溫隔熱涂料是二氧化硅氣凝膠應用的一個重要分支[72]。如圖8所示，氣凝膠保溫隔熱涂料的制備過程主要包括如下步驟[73]：①二氧化硅氣凝膠顆粒、穩(wěn)定劑（或消泡劑）和水混合研磨形成均勻氣凝膠漿料；②然后加入樹脂和分散劑進一步攪拌分散；③依據(jù)實際需要再混入各類助劑（如二氧化鈦、遠紅外陶瓷粉和空心玻璃珠等）和染色劑，得到二氧化硅氣凝膠涂料。

圖8 二氧化硅氣凝膠隔熱涂料制備流程圖

國外關于氣凝膠保溫隔熱涂料研究起步較早，1998 年Schmidt 等[74]通過將二氧化硅氣凝膠添加到聚氨酯成膜劑中制備得到了氣凝膠保溫隔熱涂料，其熱導率僅為0.015W/(m·K)，具有優(yōu)異的保溫隔熱性能。2003年Kim等[68]利用正硅酸四乙酯制備了二氧化硅氣凝膠涂層并涂覆在玻璃上，發(fā)現(xiàn)當涂層厚度為100μm 時，玻璃熱導率可低至0.2W/(m·K)，較未涂覆前下降了90%。但由于該涂層是利用溶膠自身的黏度附著在玻璃上，其附著力較差，僅能維持3個月。在此基礎上，許多研究通過改變成膜劑的種類進一步優(yōu)化涂料的黏附性，以便氣凝膠涂覆在基材表面。例如，Liu 等[75]利用自交聯(lián)丙烯酸乳液作為成膜物制備得到了氣凝膠保溫隔熱涂料，提高了氣凝膠黏附力。氣凝膠涂料熱導率低、施工簡單，有較大的應用潛力，但目前仍沒有較好的方法解決二氧化硅氣凝膠在漿料中分散性差、容易團聚等問題導致涂層熱導率高的難題。針對以上問題，有以下幾個改進思路：①對氣凝膠或者成膜劑進行表面改性從而增強其在溶質中的分散性；②優(yōu)選表面活性劑提高氣凝膠在溶劑中的分散均勻性和穩(wěn)定性。

3.5.3 二氧化硅氣凝膠氈

二氧化硅氣凝膠氈是指將二氧化硅氣凝膠在溶膠階段與纖維增強體復合，隨后通過凝膠、老化、干燥等過程制備得到的保溫隔熱氈墊[76]，典型生產(chǎn)工藝如圖9所示。一方面，二氧化硅氣凝膠氈墊較好地保留了氣凝膠優(yōu)異保溫隔熱性能，熱導率可以低至0.0142W/(m·K)[77]。另一方面氣凝膠氈墊有效解決了二氧化硅氣凝膠機械強度低導致的難以應用問題[78]。目前，氣凝膠氈墊的纖維基體主要有無機纖維和有機纖維兩大類。無機纖維基體主要包含玻璃纖維、氧化鋁纖維和石英纖維等[79?80]。無機纖維具有高熱穩(wěn)定性和低熱膨脹系數(shù)，因此無機纖維增韌氣凝膠氈墊具有較寬的溫度使用范圍，但其柔性較差且與氣凝膠的結合力弱，容易造成“掉粉”。而有機纖維，如聚丙烯纖維、聚酯纖維、芳綸纖維、纖維素纖維等可以賦予氣凝膠氈墊更好的柔性和氣凝膠結合強度[81?82]，然而有機纖維的熱穩(wěn)定較差，并不適用于實際保溫隔熱應用[83]。

圖9 二氧化硅氣凝膠氈墊工業(yè)化生產(chǎn)流程圖[1]

目前市場上氣凝膠氈墊的纖維增強體部分主要采用的是玻璃纖維針刺氈，使用溫度一般可以達到550℃，這類產(chǎn)品已經(jīng)成功應用到了石油管道、城市熱力管網(wǎng)中[84]。但其大范圍應用還需解決以下問題：①產(chǎn)品價格較為昂貴；②在運輸、安裝和使用過程中，氈墊存在“掉粉”問題[85]；③使用溫度有限，限制了其在高溫領域（例如防排煙管道、高溫冶煉、航空航天等領域）的使用[86]。針對產(chǎn)品較為昂貴的問題，可以通過優(yōu)化工藝（如常壓干燥方法），合理選取較低成本的硅源來解決。對于二氧化硅氣凝膠氈墊“掉粉”問題，則可以通過化學接枝方法來增強氣凝膠顆粒與纖維之間的相互作用力。此外，為解決二氧化硅氣凝膠氈墊使用溫度較低的問題，一方面可以通過采用耐溫纖維增強體（硅酸鋁纖維、氧化鋁纖維等）來解決，另一方面采用鋯、鋁、釔等耐溫物質與二氧化硅氣凝膠雜化，進而提高二氧化硅氣凝膠自身使用溫度[87]。

3.5.4 二氧化硅氣凝膠混凝土砂漿

水泥、混凝土是最常見的建筑工程材料之一，但其保溫隔熱性能差，較難滿足高標準建筑節(jié)能要求。將二氧化硅氣凝膠與混凝土砂漿復配，可提高混凝土砂漿孔隙率并優(yōu)化內部傳熱路徑，從而改善混凝土砂漿的保溫隔熱性能（圖10）[88]。

圖10 含40%氣凝膠的混凝土砂漿樣品的掃描電鏡圖像(a)以及混凝土力學強度隨氣凝膠摻雜含量的變化規(guī)律(b)[89]

挪威科技大學Gao 等[90]將二氧化硅氣凝膠粉末摻入混凝土中，成功制備了一種二氧化硅氣凝膠混凝土砂漿，當氣凝膠體積分數(shù)為60%時，所得氣凝膠混凝土的密度約為1g/cm3，熱導率從1.86W/(m·K)降低到約0.26W/(m·K)，該方法得到的混凝土砂漿的熱導率大幅下降。隨后有關研究人員[91]開展了氣凝膠含量對混凝土砂漿隔熱性能、力學性能影響研究，結果表明氣凝膠能提高混凝土的保溫隔熱性能，但同時也會降低其抗壓強度[92?93]。如圖10 所示，當氣凝膠體積分數(shù)達到60%，混凝土的抗壓強度從150MPa 降低到20MPa，下降了86.7%[89,94]。因此，氣凝膠混凝土砂漿的應用仍存問題：①氣凝膠的摻雜會導致混凝土混合漿料抗壓強度下降，因此在保證保溫隔熱效果的同時，需進一步優(yōu)化其力學性能；②二氧化硅氣凝膠粉末易團聚，較難均勻且穩(wěn)定地分散在混凝土漿料中，影響其熱導率和力學性能。針對以上問題，可以從以下幾個方面入手解決：①在混凝土漿料中添加具有一定強度的預制多孔纖維骨架，例如陶瓷纖維氈等，進而對混凝土漿料的孔隙結構進行優(yōu)化，從而減少氣凝膠的用量，保證氣凝膠混凝土漿料的保溫隔熱性能和抗壓強度都處于較為優(yōu)異的范圍；②對氣凝膠及混凝土漿料進行適當?shù)母男裕沟枚趸铓饽z與混凝土漿料之間存在化學鍵作用，進而提高二氧化硅氣凝膠在混凝土漿料中的分散性和穩(wěn)定性。

3.5.5 二氧化硅氣凝膠用于太陽能集熱器

優(yōu)化太陽能熱水器保溫系統(tǒng)的保溫隔熱性可以有效提高其能源利用率。氣凝膠可應用在熱水器的集熱板、儲水箱、管道和集熱器保溫系統(tǒng)中，從而提高現(xiàn)有太陽能熱水器的集熱效率并降低其熱損失[95]。國外研究表明，配有厚度20mm 氣凝膠的太陽能集熱器具有優(yōu)異的絕熱性能（圖11）[96]。與傳統(tǒng)接收器相比，當入口熱流溫度在583～823K范圍內，垂直輻照度在400～1000W/m2范圍內時，氣凝膠可以減少集熱器7.3%～10.1%熱損失，集熱器效率可提高0.01%～2.92%。

圖11 氣凝膠在太陽能集熱器中的應用示意圖[63]

3.6 冷藏集裝箱

冷藏集裝箱需要具有良好的隔熱性能，可維持低溫環(huán)境，用于各類易腐物品的運輸。傳統(tǒng)的冷藏集裝箱的隔熱材料一般采用玻璃纖維、石棉、巖棉、聚笨乙烯泡沫塊、發(fā)泡聚氨酯等材料，有機材料的隔熱效果較優(yōu)異但不環(huán)保，傳統(tǒng)無機材料雖然無毒無害但保溫性能較一般。采用二氧化硅氣凝膠取代傳統(tǒng)材料作為冷藏集裝箱等低溫系統(tǒng)的隔熱材料，可以兼顧環(huán)保和保溫性能的需求[97?98]。德國赫徹斯特公司和美國卡伯特公司在SiO2氣凝膠復合材料方面開展了大量研究工作，其研發(fā)的產(chǎn)品已經(jīng)成功應用到了冷藏箱隔熱系統(tǒng)中[99]。廣州大學羅嘉聯(lián)等[100]通過將玻璃纖維和水洗棉與二氧化硅氣凝膠復合得到了冷藏柜的保冷板，并比較了氣凝膠復合保冷板與傳統(tǒng)聚氨酯發(fā)泡板的熱導率、力學性能和疏水性能，發(fā)現(xiàn)氣凝膠復合保冷板的保冷效果比傳統(tǒng)聚氨酯發(fā)泡板提高了36%，在冷藏箱領域展現(xiàn)了較好的應用潛力。

3.7 新能源汽車

隨著能源結構改革，純電動汽車、太陽能汽車、混合動力汽車等新能源汽車進入商業(yè)化的階段，鋰離子電池作為新能源汽車最主要的儲能部件發(fā)展迅猛，但鋰離子電池熱安全問題不容忽視。高溫、過充、內短路以及機械破壞都可能引發(fā)新能源汽車內鋰離子電池組發(fā)生熱失控，引發(fā)火災甚至爆炸，嚴重威脅駕乘人員的生命安全。2020 年5 月，由工信部發(fā)布的《電動汽車用動力蓄電池安全要求》明確提出電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統(tǒng)在5min內不起火不爆炸，為乘員安全逃生提供時間。電池廠或者主機廠一般在電芯之間以及模組、PACK的上蓋采用防火保溫材料，從而延緩或者阻止電池組熱擴散以及火焰的蔓延，給乘客留足時間撤離事故現(xiàn)場。

目前常用的保溫隔熱材料有玻璃纖維棉、硅酸鋁棉、復合隔熱板等，然而以上保溫隔熱材料熱導率高、厚度較大占用空間、防火防水性能一般、保溫性能衰減快，因此亟需尋找一種能耐高溫、保溫性能好、壽命長的防火保溫隔熱材料。二氧化硅氣凝膠在保溫隔熱性能方面具有顯著優(yōu)勢，相較于傳統(tǒng)保溫材料，只需1/5～1/3的厚度即可達到相同的保溫效果，為動力電池節(jié)省更多空間（圖12）[101]，目前已在寧德時代、國軒高科新能源等大型鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)測試和局部試應用。二氧化硅氣凝膠保溫隔熱復合材料在新能源汽車方面的應用還需要關注以下問題：①現(xiàn)有二氧化硅氣凝膠耐熱溫度≤550℃，但鋰離子電池熱失控峰值溫度超過600℃，因此發(fā)展耐熱溫度更高的氣凝膠材料是研究趨勢之一；②采用超臨界干燥工藝制備氣凝膠復合材料，成本高，因此發(fā)展成本相對較低的常壓干燥工藝是未來規(guī)?；瘧玫闹匾较颍虎廴绾纹胶鈿饽z保溫隔熱和高負荷下電池放熱的矛盾是需要研究的熱點難題。

圖12 氣凝膠氈在鋰離子電池組充當防火隔熱層[101]

4 結語

本文對近年來二氧化硅氣凝膠在保溫隔熱領域應用的研究進展進行了綜述。二氧化硅氣凝膠能有效降低航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、建筑家居等生產(chǎn)生活等活動的能量損耗，提升設備設施的使用壽命和熱安全性，在保溫隔熱領域有非常良好的應用價值。在未來，二氧化硅氣凝膠在保溫隔熱領域的應用可重點關注以下幾個方面。

（1）二氧化硅氣凝膠使用溫度有限，無法適應日益增長的高溫區(qū)隔熱需求，研究提升氣凝膠高溫下的熱穩(wěn)定性是重要內容。

（2）二氧化硅氣凝膠主要以復合氈墊形式應用，存在“掉粉”問題，因此需要探究利用表面改性、纖維排列優(yōu)化等方法增強氣凝膠顆粒與纖維的結合力。

（3）氣凝膠粉體在保溫涂料、復合板材等體系中摻雜時，其容易出現(xiàn)相分層并導致保溫隔熱材料性能下降，研究提高氣凝膠粉體在復材中的分散均勻性和穩(wěn)定性是其應用中需要解決的關鍵問題之一。

（4）現(xiàn)有二氧化硅氣凝膠采用成本較高的超臨界干燥工藝，限制了其大規(guī)模推廣應用，研究利用常壓干燥工藝等低成本制備方法來降低其生產(chǎn)成本是未來的發(fā)展趨勢之一。