二氧化硅氣凝膠及其在保溫隔熱領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)展

潘月磊，程旭東，閆明遠(yuǎn)，何盼，張和平

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(luò)結(jié)構(gòu)固體[1?2]，通常通過溶膠?凝膠化學(xué)合成，國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（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(qū)體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z、凝膠，并最終由溶液形成干燥網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(lǐng)域均擁有廣闊的應(yīng)用前景，被譽(yù)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(guó)科學(xué)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(zhǎng)，但是其真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)量產(chǎn)才有近20年時(shí)間。2001年，美國(guó)Aspen公司首次實(shí)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(yīng)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(xué)強(qiáng)度差，無法直接應(yīng)用；另一方面，現(xiàn)在二氧化硅氣凝膠生產(chǎn)普遍采用技術(shù)門檻要求相對(duì)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(dǎo)致二氧化硅氣凝膠產(chǎn)品價(jià)格居高不下。為了解決以上問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛和深入的技術(shù)攻關(guān)。針對(duì)二氧化硅氣凝膠力學(xué)性能差的問題，目前主要利用二氧化硅氣凝膠與增強(qiáng)相復(fù)合，從而提高氣凝膠的力學(xué)性能，增強(qiáng)相主要包括無機(jī)纖維、有機(jī)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(duì)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(shù)門檻高，工藝復(fù)雜，常壓干燥得到的二氧化硅氣凝膠品質(zhì)參差不齊，目前主要小范圍應(yīng)用于氣凝膠涂料以及混凝土砂漿等。本文旨在對(duì)二氧化硅氣凝膠制品在保溫隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析總結(jié)，同時(shí)對(duì)其未來應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)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(jī)金屬鹽或硅醇鹽[9?11]，其中硅醇鹽具有化學(xué)性質(zhì)相對(duì)簡(jiǎn)單、純度高、易于功能化等優(yōu)點(diǎn)，使其成為二氧化硅溶膠?凝膠化學(xué)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(yīng)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(jìn)行[14]。然而TMOS成本更高且水解時(shí)生成的甲醇對(duì)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(yīng)提供活性反應(yīng)位點(diǎn)[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(zhǎng)/短鏈相互連接的三維骨架凝膠[18]。根據(jù)使用的分散介質(zhì)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(qiáng)凝膠強(qiáng)度，降低干燥過程中骨架坍塌和收縮風(fēng)險(xiǎn)[19]。

（4）干燥 在保留凝膠三維骨架結(jié)構(gòu)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(guān)鍵的環(huán)節(jié)是干燥環(huán)節(jié)，在保持凝膠網(wǎng)絡(luò)不被破壞的前提下從基質(zhì)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(gè)主要因素影響凝膠的固體多孔結(jié)構(gòu)：①三維網(wǎng)絡(luò)骨架不可避免的部分坍塌，主要是因?yàn)槟z體內(nèi)部微收縮產(chǎn)生壓力梯度，最終導(dǎo)致三維骨架裂縫生成；②由于整個(gè)三維網(wǎng)絡(luò)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(yīng)力從而發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。目前常用的干燥技術(shù)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(shù)門檻低、干燥效果好，是目前最普遍應(yīng)用的干燥方法。然而超臨界高壓干燥方法設(shè)備復(fù)雜、高壓工藝較危險(xiǎn)且成本高，因此低成本的常壓干燥方法是未來發(fā)展趨勢(shì)。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(shí)三維孔隙中不斷后移的彎月液面會(huì)引起較高的毛細(xì)管壓力（在納米孔內(nèi)可以達(dá)到幾百bar，1bar=0.1MPa）[21]。當(dāng)干燥過程中的毛細(xì)管壓力差超過二氧化硅三維骨架結(jié)構(gòu)的彈性極限時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)將被破壞，最終得到破碎且收縮嚴(yán)重的顆粒狀二氧化硅氣凝膠。目前已報(bào)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(zhì)是當(dāng)前研究的主要技術(shù)難點(diǎn)。此外，常壓干燥工藝通常需要進(jìn)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(jī)溶劑，設(shè)計(jì)全新反應(yīng)路徑以減少溶劑用量是其第二大技術(shù)難題。

2 二氧化硅氣凝膠力學(xué)性能增強(qiáng)方法

二氧化硅氣凝膠是具有珍珠項(xiàng)鏈狀骨架網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)，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(nèi)部納米顆粒之間的頸部區(qū)域機(jī)械強(qiáng)度較差，受壓后極易破碎，嚴(yán)重限制了二氧化硅氣凝膠的推廣應(yīng)用[26?27]。近年來，科學(xué)家們?cè)诙趸铓饽z力學(xué)性能增強(qiáng)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(fù)合增強(qiáng)方法和高分子聚合物復(fù)合增強(qiáng)方法等。以上方法各有優(yōu)劣，需要根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇。

圖2 典型的二氧化硅氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)及實(shí)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(jìn)行著緩慢的粒子溶解與沉淀的反應(yīng)（Ostwald 熟化機(jī)制）[28]，因此通過改變濕凝膠老化過程中的溫度、時(shí)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(qiáng)氣凝膠的力學(xué)性能。Smith 等[29]通過優(yōu)化老化溫度和時(shí)間將二氧化硅氣凝膠的剪切模量提高了2倍，但其力學(xué)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(chǎng)景應(yīng)用。

（2）熱處理方法 將二氧化硅氣凝膠進(jìn)行熱處理能夠使三維骨架致密化，從而提升其骨架強(qiáng)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(yīng)用受限。

（3）纖維復(fù)合增強(qiáng)方法 該方法是將纖維與氣凝膠復(fù)合，以纖維作為支撐相從而改善氣凝膠的力學(xué)性能。根據(jù)纖維的類型，可以將纖維氣凝膠復(fù)合材料分為無機(jī)纖維增韌二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料和有機(jī)纖維增韌二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料。無機(jī)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(jī)纖維?氣凝膠復(fù)合材料可以應(yīng)用在500℃以上的高溫隔熱領(lǐng)域[31]。有機(jī)纖維可以賦予二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料更好的柔韌性和氣凝膠結(jié)合強(qiáng)度[32]，但有機(jī)纖維?氣凝膠復(fù)合在高溫下的耐受性較差。

（4）高分子聚合物復(fù)合增強(qiáng)方法 高分子聚合物力學(xué)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(fù)合可以增強(qiáng)氣凝膠的柔韌性和壓縮強(qiáng)度。按照高分子聚合物與二氧化硅氣凝膠的結(jié)合方式可以將復(fù)合材料分為共凝膠型、涂層型和表面反應(yīng)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(fù)合材料。所得復(fù)合材料（0.095～0.230g/cm3）的彎曲強(qiáng)度比純氣凝膠高31 倍，并且能夠支撐其自身質(zhì)量3200 倍的物體而保持結(jié)構(gòu)的完整。應(yīng)用該方法時(shí)需注意調(diào)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(lǐng)域的應(yīng)用

得益于二氧化硅氣凝膠眾多優(yōu)異特性，其已成功應(yīng)用在眾多領(lǐng)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(yīng)用前景。本文著重介紹二氧化硅氣凝膠在保溫隔熱領(lǐng)域應(yīng)用的研究進(jìn)展，分析其在應(yīng)用過程中的共性技術(shù)難點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，以期拓展氣凝膠研究和應(yīng)用領(lǐng)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(hù)的關(guān)鍵組件之一，對(duì)于高超聲速飛行器而言，在長(zhǎng)時(shí)間承受氣動(dòng)加熱條件下[40]，機(jī)體表面會(huì)產(chǎn)生極高的溫度，為避免飛行器主體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部?jī)x器設(shè)備受熱侵蝕危害，選擇綜合性能優(yōu)異的隔熱材料至關(guān)重要。一方面，隔熱材料需要有效阻隔外部熱量流向機(jī)體內(nèi)部，以免影響機(jī)體相關(guān)設(shè)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(zhì)特性，其對(duì)提高導(dǎo)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?zé)釋?dǎo)率低至0.016W/(m·K)，能夠滿足航空航天對(duì)于輕質(zhì)高效隔熱材料的需求[42]。

目前Aspen Systems 公司制備的纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料已應(yīng)用到美國(guó)航空航天局相關(guān)項(xiàng)目中[43]，如通過將氣凝膠與陶瓷纖維、有機(jī)纖維等復(fù)合得到復(fù)合功能化材料，成功應(yīng)用于火星探測(cè)器的溫度敏感探頭外部保護(hù)及星云捕獲器上，同時(shí)二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料在高超聲速飛行器、超聲速巡航導(dǎo)彈的內(nèi)部熱防護(hù)方面均得到成功應(yīng)用[44?45]。美國(guó)航空航天局開發(fā)的陶瓷纖維基?二氧化硅氣凝膠復(fù)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(jié)。該材料的隔熱性能比現(xiàn)有航天器隔熱瓦高10～100倍，同時(shí)具有耐溫高的顯著優(yōu)勢(shì)。陶瓷纖維?SiO2氣凝膠復(fù)合材料還被應(yīng)用在飛機(jī)黑匣子上以及英國(guó)美洲豹戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)艙隔熱層（圖3）。

圖3 英國(guó)“美洲豹”戰(zhàn)斗機(jī)的駕駛艙機(jī)艙采用氣凝膠隔熱材料

二氧化硅氣凝膠輕質(zhì)、低熱導(dǎo)率的特性使其成為航空航天隔熱材料中最受關(guān)注的材料之一，但二氧化硅氣凝膠在航空航天應(yīng)用中還存在如下兩個(gè)問題：①氣凝膠自身的力學(xué)強(qiáng)度低，因此在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用中通常需要將氣凝膠與纖維材料復(fù)合從而克服其力學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將二氧化硅氣凝膠的應(yīng)用溫區(qū)向更高溫度拓展。

3.2 軍工領(lǐng)域

軍工領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芗夹g(shù)產(chǎn)品的需求比民用領(lǐng)域更為強(qiáng)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(lǐng)域的青睞。美國(guó)Aspen公司較早開展了二氧化硅氣凝膠在新型驅(qū)逐艦結(jié)構(gòu)防火墻隔熱系統(tǒng)、運(yùn)載火箭燃料低溫貯箱以及閥門管件保溫系統(tǒng)等應(yīng)用研究[46]。如圖4 所示，印度海軍“INS Arihant”戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇的腔體采用氣凝膠進(jìn)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(guó)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(qiáng)的SiO2氣凝膠隔熱瓦，已運(yùn)用到核潛艇、蒸汽動(dòng)力導(dǎo)彈驅(qū)逐艦的核反應(yīng)堆。該材料要比普通的耐火纖維材料熱導(dǎo)率更低，可有效降低保溫隔熱材料的用量并增大艙內(nèi)的使用空間，同時(shí)可以維持艙內(nèi)溫度，改善艙內(nèi)工作環(huán)境。該隔熱瓦還應(yīng)用在武器動(dòng)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(yīng)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(dǎo)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(lǐng)域應(yīng)用研發(fā)的主要方向之一，例如軍用防護(hù)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(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)需求。因此，如何實(shí)現(xiàn)二氧化硅氣凝膠的多功能化設(shè)計(jì)是其在軍工領(lǐng)域應(yīng)用中需要思考的重要問題。

3.3 工業(yè)儲(chǔ)罐及管道

對(duì)石油化工、工業(yè)、城鎮(zhèn)供暖等熱力管道進(jìn)行保溫處理可以降低熱量損失，同時(shí)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(jī)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(zāi)危險(xiǎn)性大。而二氧化硅氣凝膠安全、質(zhì)輕、隔熱性能好，綜合性能優(yōu)勢(shì)大。研究[50]表明將氣凝膠隔熱復(fù)合薄膜材料覆蓋在金屬管道表面，覆蓋后的材料熱導(dǎo)率可降低至0.084W/(m·K)。此外，覆蓋氣凝膠復(fù)合薄膜后的管道材料的耐火極限時(shí)間可達(dá)到70min，有效提升了管道安全性。在化工管道保溫應(yīng)用中主要采用二氧化硅氣凝膠復(fù)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(fù)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(zhǎng)[51]。在直埋蒸汽管道保溫隔熱層應(yīng)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(fù)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(fù)合氈的力學(xué)性能十分優(yōu)異，在10%形變下的抗壓強(qiáng)度≥100kPa，解決了傳統(tǒng)保溫材料結(jié)構(gòu)松散、壓縮形變大、壓縮后熱導(dǎo)率上升明顯的缺點(diǎn)。隨著城市供暖需求增大，供暖管網(wǎng)的鋪設(shè)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(chǎng)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(yīng)用到了輸油管道保溫和中海油海南LNG 輸送管線上，管線長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行驗(yàn)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(yīng)用

雖然二氧化硅氣凝膠在工業(yè)儲(chǔ)罐和管道應(yīng)用已有應(yīng)用案例，但是其在該領(lǐng)域大規(guī)模推廣工作仍然任重道遠(yuǎn)。這主要是因?yàn)槎趸铓饽z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(yīng)用的重要研究方向之一。

3.4 鍋爐

注汽鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，其熱損失主要有三個(gè)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(dāng)鍋爐長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，爐內(nèi)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(yīng)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(shí)際使用中，往往將纖維基體和二氧化硅氣凝膠復(fù)合形成氣凝膠氈墊，再應(yīng)用到鍋爐爐體上。鍋爐使用氣凝膠復(fù)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(fù)合材料成功應(yīng)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(fù)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(fù)合是較為優(yōu)選的方案。二氧化硅氣凝膠目前在鍋爐應(yīng)用較少，主要與其制造成本有關(guān)，相對(duì)于其他保溫材料，二氧化硅氣凝膠目前的市場(chǎng)產(chǎn)品價(jià)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(zhǎng)時(shí)間工作耐溫極限一般低于600℃，因此其在高溫鍋爐中的應(yīng)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(shì)。

圖6 氣凝膠復(fù)合材料在鍋爐系統(tǒng)中應(yīng)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(dāng)前市場(chǎng)上主要的建筑保溫材料，如巖棉、玻棉等無機(jī)纖維棉，存在纖維結(jié)構(gòu)疏松、易吸濕等問題，使用周期中保溫性能會(huì)大幅下降、聚苯乙烯和聚氨酯泡沫等有機(jī)保溫材料存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[58?59]。二氧化硅氣凝膠輕質(zhì)、導(dǎo)熱低、壽命長(zhǎng)且疏水性能好，可以滿足建筑領(lǐng)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(yīng)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(hù)結(jié)構(gòu)是建筑節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)，其中玻璃作為透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要材料，其節(jié)能性能至關(guān)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(lǐng)域尤其是建筑玻璃的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢(shì)（圖7）[67]。

圖7 氣凝膠玻璃在民用建筑中的應(yīng)用[67]

將氣凝膠應(yīng)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(chǔ)上，二氧化硅氣凝膠玻璃耐熱性更好，抗輻射能力更強(qiáng)，同時(shí)還可調(diào)色和吸聲，具有顯著應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。目前二氧化硅材料在建筑玻璃的應(yīng)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(diǎn)如表1所示。

表1 不同SiO2氣凝膠玻璃制備工藝流程及特點(diǎn)

氣凝膠玻璃仍處于工業(yè)研發(fā)階段，相關(guān)技術(shù)壁壘高，在實(shí)際中只有少量的工程應(yīng)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(dá)國(guó)家，國(guó)內(nèi)2015 年首次在長(zhǎng)沙實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)[71]，但氣凝膠玻璃仍處于起步階段，離實(shí)際應(yīng)用仍任重道遠(yuǎn)。

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(yīng)用的一個(gè)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(jìn)一步攪拌分散；③依據(jù)實(shí)際需要再混入各類助劑（如二氧化鈦、遠(yuǎn)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(guó)外關(guān)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(dǎo)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(dāng)涂層厚度為100μm 時(shí)，玻璃熱導(dǎo)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(gè)月。在此基礎(chǔ)上，許多研究通過改變成膜劑的種類進(jìn)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(dǎo)率低、施工簡(jiǎn)單，有較大的應(yīng)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(tuán)聚等問題導(dǎo)致涂層熱導(dǎo)率高的難題。針對(duì)以上問題，有以下幾個(gè)改進(jìn)思路：①對(duì)氣凝膠或者成膜劑進(jìn)行表面改性從而增強(qiáng)其在溶質(zhì)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(qiáng)體復(fù)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(dǎo)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(jī)械強(qiáng)度低導(dǎo)致的難以應(yīng)用問題[78]。目前，氣凝膠氈墊的纖維基體主要有無機(jī)纖維和有機(jī)纖維兩大類。無機(jī)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(jī)纖維具有高熱穩(wěn)定性和低熱膨脹系數(shù)，因此無機(jī)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(jié)合力弱，容易造成“掉粉”。而有機(jī)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(jié)合強(qiáng)度[81?82]，然而有機(jī)纖維的熱穩(wěn)定較差，并不適用于實(shí)際保溫隔熱應(yīng)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(chǎng)上氣凝膠氈墊的纖維增強(qiáng)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(dá)到550℃，這類產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用到了石油管道、城市熱力管網(wǎng)中[84]。但其大范圍應(yīng)用還需解決以下問題：①產(chǎn)品價(jià)格較為昂貴；②在運(yùn)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(lǐng)域（例如防排煙管道、高溫冶煉、航空航天等領(lǐng)域）的使用[86]。針對(duì)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(duì)于二氧化硅氣凝膠氈墊“掉粉”問題，則可以通過化學(xué)接枝方法來增強(qiáng)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(qiáng)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(zhì)與二氧化硅氣凝膠雜化，進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)建筑節(jié)能要求。將二氧化硅氣凝膠與混凝土砂漿復(fù)配，可提高混凝土砂漿孔隙率并優(yōu)化內(nèi)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(xué)強(qiáng)度隨氣凝膠摻雜含量的變化規(guī)律(b)[89]

挪威科技大學(xué)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(dāng)氣凝膠體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，所得氣凝膠混凝土的密度約為1g/cm3，熱導(dǎo)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(dǎo)率大幅下降。隨后有關(guān)研究人員[91]開展了氣凝膠含量對(duì)混凝土砂漿隔熱性能、力學(xué)性能影響研究，結(jié)果表明氣凝膠能提高混凝土的保溫隔熱性能，但同時(shí)也會(huì)降低其抗壓強(qiáng)度[92?93]。如圖10 所示，當(dāng)氣凝膠體積分?jǐn)?shù)達(dá)到60%，混凝土的抗壓強(qiáng)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(yīng)用仍存問題：①氣凝膠的摻雜會(huì)導(dǎo)致混凝土混合漿料抗壓強(qiáng)度下降，因此在保證保溫隔熱效果的同時(shí)，需進(jìn)一步優(yōu)化其力學(xué)性能；②二氧化硅氣凝膠粉末易團(tuán)聚，較難均勻且穩(wěn)定地分散在混凝土漿料中，影響其熱導(dǎo)率和力學(xué)性能。針對(duì)以上問題，可以從以下幾個(gè)方面入手解決：①在混凝土漿料中添加具有一定強(qiáng)度的預(yù)制多孔纖維骨架，例如陶瓷纖維氈等，進(jìn)而對(duì)混凝土漿料的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)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(qiáng)度都處于較為優(yōu)異的范圍；②對(duì)氣凝膠及混凝土漿料進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男?，使得二氧化硅氣凝膠與混凝土漿料之間存在化學(xué)鍵作用，進(jìn)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(yīng)用在熱水器的集熱板、儲(chǔ)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(guó)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(dāng)入口熱流溫度在583～823K范圍內(nèi)，垂直輻照度在400～1000W/m2范圍內(nèi)時(shí)，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(yīng)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(yùn)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(jī)材料的隔熱效果較優(yōu)異但不環(huán)保，傳統(tǒng)無機(jī)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(guó)赫徹斯特公司和美國(guó)卡伯特公司在SiO2氣凝膠復(fù)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(yīng)用到了冷藏箱隔熱系統(tǒng)中[99]。廣州大學(xué)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(fù)合得到了冷藏柜的保冷板，并比較了氣凝膠復(fù)合保冷板與傳統(tǒng)聚氨酯發(fā)泡板的熱導(dǎo)率、力學(xué)性能和疏水性能，發(fā)現(xiàn)氣凝膠復(fù)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(lǐng)域展現(xiàn)了較好的應(yīng)用潛力。

3.7 新能源汽車

隨著能源結(jié)構(gòu)改革，純電動(dòng)汽車、太陽能汽車、混合動(dòng)力汽車等新能源汽車進(jìn)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(chǔ)能部件發(fā)展迅猛，但鋰離子電池?zé)岚踩珕栴}不容忽視。高溫、過充、內(nèi)短路以及機(jī)械破壞都可能引發(fā)新能源汽車內(nèi)鋰離子電池組發(fā)生熱失控，引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸，嚴(yán)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(dòng)汽車用動(dòng)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(nèi)不起火不爆炸，為乘員安全逃生提供時(shí)間。電池廠或者主機(jī)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(kuò)散以及火焰的蔓延，給乘客留足時(shí)間撤離事故現(xiàn)場(chǎng)。

目前常用的保溫隔熱材料有玻璃纖維棉、硅酸鋁棉、復(fù)合隔熱板等，然而以上保溫隔熱材料熱導(dǎo)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(zhǎng)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(shì)，相較于傳統(tǒng)保溫材料，只需1/5～1/3的厚度即可達(dá)到相同的保溫效果，為動(dòng)力電池節(jié)省更多空間（圖12）[101]，目前已在寧德時(shí)代、國(guó)軒高科新能源等大型鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)測(cè)試和局部試應(yīng)用。二氧化硅氣凝膠保溫隔熱復(fù)合材料在新能源汽車方面的應(yīng)用還需要關(guān)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?zé)崾Э胤逯禍囟瘸^600℃，因此發(fā)展耐熱溫度更高的氣凝膠材料是研究趨勢(shì)之一；②采用超臨界干燥工藝制備氣凝膠復(fù)合材料，成本高，因此發(fā)展成本相對(duì)較低的常壓干燥工藝是未來規(guī)?；瘧?yīng)用的重要方向；③如何平衡氣凝膠保溫隔熱和高負(fù)荷下電池放熱的矛盾是需要研究的熱點(diǎn)難題。

圖12 氣凝膠氈在鋰離子電池組充當(dāng)防火隔熱層[101]

4 結(jié)語

本文對(duì)近年來二氧化硅氣凝膠在保溫隔熱領(lǐng)域應(yīng)用的研究進(jìn)展進(jìn)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(dòng)的能量損耗，提升設(shè)備設(shè)施的使用壽命和熱安全性，在保溫隔熱領(lǐng)域有非常良好的應(yīng)用價(jià)值。在未來，二氧化硅氣凝膠在保溫隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用可重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面。

（1）二氧化硅氣凝膠使用溫度有限，無法適應(yīng)日益增長(zhǎng)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(nèi)容。

（2）二氧化硅氣凝膠主要以復(fù)合氈墊形式應(yīng)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(qiáng)氣凝膠顆粒與纖維的結(jié)合力。

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