氣凝膠是指具有納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)且網(wǎng)絡(luò)骨架中充滿大量氣態(tài)分散介質(zhì)的輕質(zhì)納米固態(tài)材料。得益于其結(jié)構(gòu)的特殊性，氣凝膠材料具有廣泛的用途，其中二氧化硅氣凝膠材料便是基于氣凝膠技術(shù)對SiO₂應(yīng)用的探索成果，相交于其他氣凝膠材料，SiO₂氣凝膠原材料來源豐富，工藝簡單，可控性好；在性能方面兼有高透明性、低熱導(dǎo)率特性以及高比表面積等特性。

SiO₂氣凝膠的基本性質(zhì)

SiO₂氣凝膠獨特的性質(zhì)決定其在熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)等方面均有獨特的優(yōu)良性質(zhì)。

熱學(xué)性質(zhì)

二氧化硅氣凝膠材料納米顆粒骨架結(jié)構(gòu)和尺寸孔徑分布范圍均勻，使其具有極低的密度和熱導(dǎo)率，因此二氧化硅在隔熱保護(hù)方面具有優(yōu)異的性能。研究表明，二氧化硅氣凝膠的熱對流效應(yīng)微乎其微，對于一般二氧化硅氣凝膠來說其熱導(dǎo)率由氣態(tài)熱傳導(dǎo)、固態(tài)熱傳導(dǎo)和熱輻射組成。而常壓下材料孔隙內(nèi)的氣體對熱傳導(dǎo)可忽慮不及，所以二氧化硅氣凝膠的熱傳導(dǎo)主要由固態(tài)熱傳導(dǎo)和輻射熱傳導(dǎo)所決定。極低的密度增加了固體導(dǎo)熱途徑，有效降低固態(tài)熱傳導(dǎo)；而加入遮光劑能極大增加比消光系數(shù)，降低輻射熱傳導(dǎo)，從而讓其具有極低的熱導(dǎo)。

光學(xué)性質(zhì)

大部分二氧化硅氣凝膠能制成全透明或半透明材料。其折射率與密度的方程如下：

n的取值范圍與空氣折射率相仿，表明它對入射光無反射存在，阻止環(huán)境溫度的熱紅外輻射，具有良好的透明性，是一種良好的隔熱透明材料。

電學(xué)性質(zhì)

二氧化硅氣凝膠介電常數(shù)較低，其介電常數(shù)與密度和孔隙率都有一定的關(guān)系。研究表明介電常數(shù)隨著孔隙率增大而減小。

聲學(xué)性質(zhì)

通常二氧化硅氣凝膠多孔材料對聲波的阻力與其孔徑和粒徑有關(guān)。大部分二氧化硅氣凝膠的密度非常低，所以聲傳播速率很小，縱向聲速可低達(dá)100m/s數(shù)量級，且二氧化硅氣凝膠的聲阻抗可變范圍很大，可通過控制密度來控制不同聲抗阻z制備出相應(yīng)的二氧化硅氣凝膠。

SiO₂氣凝膠的制備方法

制備二氧化硅氣凝膠的主要流程包括三個部分：

• 溶膠-凝膠化過程：通過硅源的前驅(qū)反應(yīng)得到溶膠后添加催化劑發(fā)生水解縮聚得濕凝膠。

• 凝膠的老化：在母液中將濕凝膠靜置老化，來提高其力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

• 干燥工藝：凝膠中的液體分散介質(zhì)要從孔洞中干燥氣體才能形成二氧化硅氣凝膠。

SiO₂氣凝膠制備示意圖

SiO₂氣凝膠的應(yīng)用

人們利用微觀結(jié)構(gòu)賦予二氧化硅氣凝膠的性質(zhì)，通過對二氧化硅氣凝膠材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚�，然后在隔熱領(lǐng)域、光學(xué)領(lǐng)域、電學(xué)領(lǐng)域、催化領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等領(lǐng)域展開廣泛的應(yīng)用。

隔熱領(lǐng)域

二氧化硅氣凝膠具有極低的密度，相對于傳統(tǒng)隔熱材料它可以以更輕的質(zhì)量、更小的體積達(dá)到相同的隔熱效果，如今在航空航天、軍事以及民用等領(lǐng)域已經(jīng)展示出廣闊的應(yīng)用前景。如英國的“美洲豹”戰(zhàn)斗機(jī)就是以二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料作為機(jī)艙隔熱層。武器動力裝置上使用二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料不僅能夠有效阻止熱源的擴(kuò)散，還可以利于武器本身的反紅外偵察。在建材領(lǐng)域，二氧化硅氣凝膠也是絕佳的環(huán)保型高效隔熱隔音輕質(zhì)建筑材料。較好的透明性和良好的絕緣性也使其成為大有前途的窗體隔熱材料。

光學(xué)領(lǐng)域

二氧化硅氣凝膠的納米多孔結(jié)構(gòu)使其在可見光范圍內(nèi)的平均自由程較長，具有良好的透光率，用它作透光材料反射光損失可忽略不計。利用二氧化硅氣凝膠的光學(xué)特性制備出的光學(xué)減反膜，可以應(yīng)用于高功率激光系統(tǒng)光學(xué)元件、顯示器件以及太陽能電池保護(hù)玻璃等領(lǐng)域。

電學(xué)領(lǐng)域

超低的介電常數(shù)促使二氧化硅氣凝膠在電學(xué)領(lǐng)域中可以大量應(yīng)用于導(dǎo)彈的高溫透波材料。

催化領(lǐng)域

獨特的納米多孔三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其具有超細(xì)顆粒、高孔隙率、高比表面積、低密度等特性，使得它有著很強(qiáng)的吸附性，在負(fù)載催化劑的活性、選擇性、壽命等方面大大優(yōu)于傳統(tǒng)催化劑，因而在催化領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

二氧化硅氣凝膠具有極高的孔隙率，同時還具有一定的生物機(jī)體相容性和生物降解性，因此可用于診斷劑、人造組織、人體器官、器官組件等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。如通過吸附相關(guān)溶液攜帶藥物，可應(yīng)用于載藥傳輸和控制釋放系統(tǒng)等醫(yī)療行為。而且還可以利用二氧化硅氣凝膠負(fù)載酶對生物體反應(yīng)和存在的敏感響應(yīng)制造生物傳感器。

參考資料：

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李偉. 溶膠-凝膠法制備疏水型SiO2氣凝膠

李可. 二氧化硅氣凝膠及其復(fù)合材料的常壓干燥制備與性能研究

劉朝輝. 二氧化硅氣凝膠的制備和表征

張德忠. 二氧化硅氣凝膠在保溫隔熱領(lǐng)域中的應(yīng)用