SiO₂气凝胶具有三维纳米级孔隙结构，孔隙率极高，且具有密度低、比表面积大、导热系数低等优点，是一种性能优异的绝热材料，在航空航天、工业保温、建筑材料等领域具有广阔的应用前景。但由于SiO₂气凝胶次级粒子之间的作用力较弱，使其存在强度低、韧性差的缺点，且其表分布基具有亲水性，孔隙吸水后会导致隔热性降低，纯SiO₂气凝胶很难同时满足力学性能、隔热性能和疏水性的要求。因此，在实际应用中，如何提高SiO₂气凝胶的力学性能和疏水性，成为目前研究的热点。

图1  SiO₂气凝胶

一、SiO₂气凝胶性能的影响因素

SiO₂气凝胶独特的网络结构及高孔隙率是其具有独特性能的主要原因，也是其脆性大、强度低的主要原因。影响SiO₂气凝胶性能的主要因素有溶液的酸碱度、组分配比、反应时间及温度、后处理工艺、干燥工艺等。

二、提高SiO₂气凝胶力学性能方法

SiO₂气凝胶力学性能提高方法主要有：纤维增强法、构建骨架增强法、有机－无机杂化合成法。

1、纤维增强法

目前，利用纤维提高SiO₂气凝胶力学强度是十分有效的方法,主要工艺步骤为：（1）以硅源为原料，通常采用水解和缩聚反应制备得到SiO₂溶胶；（2）将SiO₂溶胶与纤维结合，通过工艺控制其凝胶得到纤维/SiO₂复合凝胶；（3）对复合凝胶进行陈化、老化、表面改性及干燥等后期工艺处理，制备纤维/SiO2气凝胶复合材料。

一般情况下，纤维材料与SiO₂气凝胶进行复合后，无机陶瓷纤维可提高SiO₂气凝胶的抗压性能，纤维素纤维可提高SiO₂气凝胶的抗拉伸性能。虽然在SiO₂气凝胶中引入纤维，能够增强其力学性能，但也可能增加SiO₂气凝胶固相传热，影响隔热性能。所以，纤维增强法对纤维材料材质、纤维在溶胶相中的分散均匀性，以及溶胶对纤维的包覆性有很高的要求。

图2  玻璃纤维/SiO₂气凝胶复合材料SEM图

目前用于改善 SiO₂气凝胶性能的纤维很多，如玻璃纤维、玻璃棉毡和电纺纤维等，由于不同纤维具有不同的力学及热学性能，对SiO₂气凝胶力学和隔热性能也会有不同的改善效果。根据纤维尺寸及形貌特征将其分为三大类型：常规束状纤维、预制件纤维和纳米纤维。

2、构建骨架增强法

构建骨架增强法是利用复合材料的结构作为支撑，使SiO₂气凝胶受到的应力转移到骨架材料上。SiO₂气凝胶不再是主要应力作用对象。复合骨架材料可选用天然的多孔材料，也可用有机或无机凝胶作为复合载体。在复合过程中SiO₂气凝胶与骨架材料产生的交联结构可增强其力学性能。

图3  SiO2气凝胶力学性能增强示意图

斯坦福大学崔屹教授通过构建骨架增强法，不仅提高了介孔SiO₂气凝胶的力学性能，还成功地设计和制造了超强增强复合聚合物电解质。相互连接的SiO₂气凝胶不仅作为强化整个复合材料的强支柱，而且为强阴离子吸附提供了大而连续的表面，从而产生穿过复合材料的高导电通路。该项研究成果，不仅代表了固态电解质的新设计原理，并为未来的全固态锂电池提供了机会。

3、有机－无机杂化合成法

有机－无机杂化合成法是将有机分子基团连接到SiO₂气凝胶粒子间或表面上，增强SiO₂气凝胶的力学性能。有机－无机杂化合成的方法一般有两种：一是通过共前驱体凝胶方式，将柔性有机硅醇盐与一般前驱体共同水解缩合；二是在共前驱体溶胶中加入高分子聚合物，与已有的有机官能团进行接枝合成。通过有机－无机杂化合成的SiO₂气凝胶是提升其力学性能最有效的方法。利用柔性有机硅醇盐（硅烷偶联剂），如甲基三甲基硅烷、氨基丙基三乙氧基硅烷等制备出的SiO₂气凝胶具有良好韧性。带有极性官能团的柔性有机硅醇盐（硅烷偶联剂）水解后缩聚，或与高活化能的羟基脱氢缩合，使大量的极性官能团暴露在SiO₂气凝胶表面，增加了气凝胶表面能。在干燥时极性官能团之间产生的斥力也保护了气凝胶孔隙结构的完整性。同时SiO₂气凝胶表面的羟基减少，减小了气凝胶的收缩。

美国航天局格伦研究中心利用有机－无机杂化合成法研发了以缩脲基团交联的SiO₂气凝胶。将双异氰酸盐溶剂加入到四甲氧基硅烷和氨基丙基三乙氧基硅烷混合溶胶中，使前驱体上的氨基与异氰酸根缩合，最终制得缩脲交联SiO₂气凝胶。经力学测试和热传导测试，缩脲基团交联SiO₂气凝胶具有优良的力学性能和耐热性。

三、SiO₂气凝胶疏水化改性

SiO₂气凝胶疏水化改性主要方法有两种：共前驱体改性法和溶剂交换－表面疏水改性法。

笔者的话：SiO₂气凝胶材料现已进入产业化生产，提高其力学性能主要以纤维复合增强法为主，然后在形成凝胶后利用表面疏水改性法进行改性，提高其疏水性能。但仍存在隔热性能不稳定、制备工艺较复杂的缺点。目前，利用有机－无机杂化合成SiO₂气凝胶是最有效、便捷的方法，但对其改性过程还需精准控制，探寻高效的有机杂化材料，实现SiO₂气凝胶的多功能性。可以预见，随着对SiO₂气凝胶力学性能的改善，具有独特性质的SiO₂气凝胶将在热学、声学、光学、电学等领域获得更为广泛的应用。

参考文献：

1、石小靖，张瑞芳，何松等，玻璃纤维增韧SiO₂气凝胶复合材料的制备及隔热性能，硅酸盐学报。

2、梁玉莹，吴会军，游秀华，纤维改善SiO₂气凝胶的力学和隔热性能研究进展，硅酸盐通报。

3、陈宇卓，欧忠文，刘朝辉，隔热材料SiO₂气凝胶改性研究进展，化工新型材料。

作者：乐心