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90% 以上孔隙率！SiO?氣凝膠復合材料為何如此神奇？

文章來源：賢集網更新時間：2024-12-06 16:25:08

在材料科學的廣袤星空中，SiO?氣凝膠復合材料猶如一顆閃耀著獨特光芒的新星，正逐漸成為全球科研與工業應用領域的焦點。從 20 世紀 30 年代起步，歷經漫長歲月的磨礪與沉淀，它憑借著一系列卓越的性能，在眾多傳統與新興材料中脫穎而出。其發展歷程不僅見證了人類對材料微觀結構與性能調控能力的不斷攀升，更為現代科技的諸多關鍵領域，如航空航天的極限探索、建筑節能的綠色變革、能源利用的高效提升等，帶來了前所未有的突破機遇，開啟了一段充滿無限可能與創新活力的材料科技新征程。

一、SiO?氣凝膠復合材料的發展歷程與特性

SiO?氣凝膠復合材料的發展源遠流長，其起源可追溯至 20 世紀 30 年代，最初主要作為高效隔熱材料而被研究。歷經數十年的技術演進，如今已展現出極為多樣化的應用潛力。

SiO?氣凝膠自身具備諸多獨特的性能。從微觀結構來看，它以三維網狀納米多孔結構為顯著特征，孔隙率高達 90％以上。這種特殊的多孔結構造就了其輕質、低密度的物理特性，并且賦予了它較大的比表面積。其孔隙結構的可控性更是一大亮點，使得材料能夠在多種復雜環境中維持穩定，適應性極強。在化學特性方面，SiO?氣凝膠擁有優異的穩定性和惰性，即便處于多種化學環境之下，依然能夠保持自身結構與性能的穩定。此外，其表面易于功能化，通過表面修飾可實現與其他物質的有效結合，這無疑極大地拓寬了它在復合材料領域的應用范疇。值得注意的是，SiO?氣凝膠對水蒸氣和某些氣體的吸附性能，使其在過濾和催化等領域也擁有廣闊的應用前景。

自 1931 年被發明以來，SiO?氣凝膠已有九十余年的歷史。傳統的 SiO?氣凝膠被定義為“首先將前驅體液體逐漸轉變為溶膠和凝膠，并通過干燥工藝形成 SiO?顆粒相互連接的多孔三維納米網絡結構”。早期的純 SiO?氣凝膠與聚氨酯泡沫、酚醛泡沫、聚苯乙烯等高分子材料相比，具有更低的密度和導熱系數，在航空航天領域初步得到應用。然而，純 SiO?氣凝膠存在明顯的局限性，當工作溫度超過 650 - 800℃時，其結構穩定性會急劇下降，甚至發生破壞與坍塌，無法正常使用。

二、SiO?氣凝膠復合材料的不同類型與復合策略

氧化物增強復合 SiO?氣凝膠：

為改善純 SiO?氣凝膠的耐高溫和保溫隔熱等性能，眾多學者將其與 Al?O?、ZrO?、TiO?等氧化物進行復合，研發出了氧化物增強復合 SiO?氣凝膠。這類復合材料具備良好的耐高溫、保溫隔熱、光催化等優異性能，在航空航天的耐高溫、保溫隔熱、能量存儲轉化等場景中有著重要的應用價值。例如，在航天飛機發動機、固體火箭助推器等高溫部件的隔熱保護方面，氧化物增強復合 SiO?氣凝膠能夠發揮關鍵作用，有效降低熱量傳遞，保障設備的正常運行與安全性。

纖維增強 SiO?復合氣凝膠：

美國宇航局率先將氣凝膠作為高效隔熱材料應用于一系列火星車和探測器上，但純 SiO?氣凝膠材料自身結構較脆，力學強度不理想，極大地限制了其應用前景。同時，氣凝膠復合材料的制備方法價格高昂，如超臨界干燥法雖能制備出質量較好的產品，但成本過大，難以大規模生產應用，多停留在科學研究階段。基于此，國內外許多學者針對純 SiO?氣凝膠材料力學強度差的技術難題開展了大量研究工作，普遍認為將纖維增強材料與純 SiO?氣凝膠復合是增強力學強度最為有效的方法之一。玻璃纖維、陶瓷纖維、碳纖維等纖維材料的加入，為 SiO?氣凝膠提供了有力的支撐結構，顯著提升了其力學性能。在航空航天領域的一些結構部件中，纖維增強 SiO?復合氣凝膠能夠在保證隔熱性能的同時，滿足一定的力學承載要求，如在深空探測器的某些結構件或返回艙底座等部位，能夠更好地適應復雜的力學環境。

有機聚合物復合 SiO?氣凝膠：

有機聚合物是指高聚物分子通過粒子間的氫鍵、范德華分子力相互作用而形成具有超高性能的有機化合物。其獨特的屬性使其在材料領域占據重要地位，成為克服純 SiO?氣凝膠脆性缺陷的潛在替代品。在實際應用中，聚合物常因高溫穩定性差而受限。近年來，為實現協同提升 SiO?氣凝膠復合材料的保溫隔熱和機械強度等性能，諸多學者將有機聚合物和純 SiO?氣凝膠作為相互增強材料和填充材料開展了大量研究工作。常見的有機聚合物包括聚氨酯、聚酰亞胺、酚醛樹脂、陶瓷樹脂、聚丙烯/聚苯乙烯等高分子合成材料。當這些有機聚合物與 SiO?氣凝膠復合后，能夠得到隔熱性能和機械強度更佳的復合材料，有望解決航空航天領域材料在保溫隔熱和力學強度同步提升的技術瓶頸。不過，目前有機聚合物對 SiO?氣凝膠的保溫隔熱、機械強度以及其他性能的影響作用機制尚未完全明晰，這仍是當前復合材料領域研究的重難點之一。

金屬材料復合：

在材料科學領域，SiO?氣凝膠與金屬材料的復合是一項極具創新性的工作。通過與金屬材料，如鋁、銅等復合，SiO?氣凝膠復合材料的機械性能和熱穩定性得到強化，應用范圍也得到拓展，尤其在高強度和特定功能性方面展現出顯著優勢。金屬與 SiO?氣凝膠間納米尺度的相互作用，確保了兩種材料能夠有效結合，共同發揮各自的長處。由此制造出來的復合材料不僅具備 SiO?氣凝膠的輕質和高隔熱性能，還擁有金屬的高強度和良好的導電性能。在電磁屏蔽領域，SiO?氣凝膠金屬復合材料憑借金屬的導電特性，能夠有效防護電磁干擾，在通信和電子產品領域有著重要意義。此外，由于金屬可提升材料的熱穩定性，該復合材料也適用于高溫環境下運作的設備，如某些高溫工業爐窯的隔熱與防護部件等。但在生產過程中，需要精確控制金屬和 SiO?氣凝膠的比例及反應條件，以實現兩者間的最優結合效果，從而使復合材料發揮出最佳性能。

納米材料復合：

SiO?氣凝膠與納米材料的復合通常以功能多樣化為目標。例如，將 SiO?氣凝膠與碳納米管結合，得到的復合材料在保持原有隔熱特性的基礎上，增加了電導性，使其在電子設備的熱管理和電磁屏蔽領域中有廣泛的應用前景。石墨烯的引入不僅增強了 SiO?氣凝膠的強度和穩定性，還提升了其導熱性，這對于要求快速熱傳導的應用場景，如高性能電子芯片的散熱等尤為重要；納米銀和納米銅的引入則賦予了 SiO?氣凝膠顯著的抗菌性能，在醫療衛生領域具有重要價值，可用于制造具有自凈化能力的表面涂層或醫療器械，有效減少病原體傳播。SiO?氣凝膠納米復合材料的開發充分展示了納米技術在提升傳統材料性能和功能方面的巨大潛力。

三、SiO?氣凝膠復合材料與常規材料的性能對比及應用領域**

性能對比：

與其他常規材料相比，SiO?氣凝膠復合材料具有多方面的性能優勢。在保持輕質、高孔隙率的同時，其整體的機械強度和耐用性得到了大幅提高。在隔熱性能和聲學性能方面，一般均能超越單一材料，特別適用于對隔熱和吸音性能有高要求的環境，如建筑的隔熱保溫層、聲學實驗室的隔音設施等。此外，SiO?氣凝膠復合材料的化學穩定性和生物相容性較好，這為其在化工和醫療領域開辟了新的應用可能，例如在化工管道的防腐涂層、醫療植入物的表面修飾等方面都有潛在的應用價值。

應用領域：

1.航空航天領域

在航空航天領域，SiO?氣凝膠復合材料有著廣泛而關鍵的應用。從深空探測器的隔熱防護，到太陽能翻板的保溫與減重，再到航天飛機發動機、固體火箭助推器的耐高溫與隔熱，以及返回艙底座的結構支撐與隔熱等方面，都離不開 SiO?氣凝膠復合材料的身影。例如，在深空探測器長時間的太空探索任務中，惡劣的宇宙環境對材料的隔熱、耐高溫、力學性能等提出了極高要求，SiO?氣凝膠復合材料能夠有效地保護探測器內部的儀器設備免受極端溫度的影響，同時減輕整體重量，提高能源利用效率。

2.建筑領域

傳統砂漿和混凝土：砂漿和混凝土作為基建設施的基礎材料，穩定性和耐久性至關重要。SiO?氣凝膠的引入，可在不犧牲傳統材料強度和穩定性的前提下，提高其節能性能。其獨特的多孔結構和低熱導率使其成為理想的隔熱添加劑，能顯著減少熱能傳遞，降低能源消耗，提高能源效率。無論是新型設施的建設還是舊設施的節能改造，都可應用 SiO?氣凝膠復合材料。但在應用過程中，需精準確定其添加比例，以確保材料的機械強度、耐久性和工作性能不受損害，這需要深入的材料科學研究與實驗驗證。

墻體涂料：與傳統涂料相比，SiO?氣凝膠涂料的隔熱性能更為出色，可有效降低室內外溫度差異導致的能源損失。在內墻表面涂覆該涂料，無需大規模結構改造即可提升節能效果。而且涂層輕薄，不影響墻體美觀，應用簡便，易于普及。同時，SiO?氣凝膠涂料還具有較高的環境適應性，能在不同氣候條件下穩定工作。

外墻和樓頂材料：外墻和樓頂是房屋熱量交換的主要界面，其節能性能直接影響房屋整體能耗。將 SiO?氣凝膠復合材料應用于外墻和樓頂的隔熱層，可大幅降低夏季的冷卻需求和冬季的供暖能耗。該材料輕質且易于加工，便于在現有設施上進行改造與應用，對于建筑節能具有重要意義。

玻璃：SiO?氣凝膠復合材料可增強玻璃的隔音效果，在中空、真空和夾層玻璃的生產中發揮著重要作用，能顯著提高玻璃的熱效率和降噪能力。夏季，可有效減弱太陽輻射，減少約 20％的熱損失，降低室內溫度；冬季，能阻擋約 40％的室內熱空氣流失，節能效果顯著。與傳統玻璃相比，其透光率較高，對室內采光影響較小。目前主要有夾層玻璃和鍍膜玻璃兩種類型，夾層玻璃保溫性能好但成本高，鍍膜玻璃成本較低且透光率可達 88％。

3.能源領域

在熱水器的儲水箱、集熱器和管道系統中，SiO?氣凝膠復合材料也大顯身手。應用于儲水箱和管道外層，可顯著降低熱能傳輸損失，提升集熱器效率，尤其在陽光輻射不足時表現更為突出，有助于提高熱水器的整體能源效率，降低能源消耗。

四、SiO?氣凝膠復合材料的產業鏈與發展展望

SiO?氣凝膠企業產業鏈涵蓋了從成膠、封裝，到電池包、儲能、軌道交通、建筑、管道等下游應用的多個環節。從材料的前驅體到各種纖維如陶瓷纖維、玻璃纖維、泡棉等，以及封裝材料如 PET、PI 膜，熱熔膠、硅膠框等，同時也包括生產過程中的設備，如超臨界設備、熱壓機、模切設備等。整個產業鏈的協同發展，推動著 SiO?氣凝膠復合材料的不斷進步與廣泛應用。

隨著科技的不斷發展，SiO?氣凝膠復合材料的未來充滿無限可能。在研發方面，對于各種復合機制的深入研究將持續進行，如氧化物復合氣凝膠的耐高溫性提升機制、纖維骨架與 SiO?氣凝膠顆粒間的耦合作用機制、有機聚合物分子/SiO?復合氣凝膠顆粒間的黏結、排列和分子力作用機制等，有望進一步提升材料的性能。在應用領域，除了現有的航空航天、建筑、能源等領域，可能會拓展到更多新興領域，如智能穿戴設備的隔熱與功能增強、新能源汽車的電池熱管理與輕量化等。同時，隨著生產工藝的不斷改進和成本的逐步降低，SiO?氣凝膠復合材料將更加普及，為人們的生活和社會的發展帶來更多的便利與效益，在全球材料科學領域持續書寫輝煌篇章，成為推動各行業技術進步與創新的重要力量源泉。

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