一文了解二氧化硅气凝胶的性质、制备及应用

气凝胶是指具有纳米多孔网络结构且网络骨架中充满大量气态分散介质的轻质纳米固态材料。得益于其结构的特殊性，气凝胶材料具有广泛的用途，其中二氧化硅气凝胶材料便是基于气凝胶技术对SiO₂应用的探索成果，相交于其他气凝胶材料，SiO₂气凝胶原材料来源丰富，工艺简单，可控性好；在性能方面兼有高透明性、低热导率特性以及高比表面积等特性。

SiO₂气凝胶的基本性质

SiO₂气凝胶独特的性质决定其在热学、光学、电学、声学等方面均有独特的优良性质。

热学性质

二氧化硅气凝胶材料纳米颗粒骨架结构和尺寸孔径分布范围均匀，使其具有极低的密度和热导率，因此二氧化硅在隔热保护方面具有优异的性能。研究表明，二氧化硅气凝胶的热对流效应微乎其微，对于一般二氧化硅气凝胶来说其热导率由气态热传导、固态热传导和热辐射组成。而常压下材料孔隙内的气体对热传导可忽虑不及，所以二氧化硅气凝胶的热传导主要由固态热传导和辐射热传导所决定。极低的密度增加了固体导热途径，有效降低固态热传导；而加入遮光剂能极大增加比消光系数，降低辐射热传导，从而让其具有极低的热导。

光学性质

大部分二氧化硅气凝胶能制成全透明或半透明材料。其折射率与密度的方程如下：

n的取值范围与空气折射率相仿，表明它对入射光无反射存在，阻止环境温度的热红外辐射，具有良好的透明性，是一种良好的隔热透明材料。

电学性质

二氧化硅气凝胶介电常数较低，其介电常数与密度和孔隙率都有一定的关系。研究表明介电常数随着孔隙率增大而减小。

声学性质

通常二氧化硅气凝胶多孔材料对声波的阻力与其孔径和粒径有关。大部分二氧化硅气凝胶的密度非常低，所以声传播速率很小，纵向声速可低达100m/s数量级，且二氧化硅气凝胶的声阻抗可变范围很大，可通过控制密度来控制不同声抗阻z制备出相应的二氧化硅气凝胶。

SiO₂气凝胶的制备方法

制备二氧化硅气凝胶的主要流程包括三个部分：

• 溶胶-凝胶化过程：通过硅源的前驱反应得到溶胶后添加催化剂发生水解缩聚得湿凝胶。

• 凝胶的老化：在母液中将湿凝胶静置老化，来提高其力学强度和稳定性。

• 干燥工艺：凝胶中的液体分散介质要从孔洞中干燥气体才能形成二氧化硅气凝胶。

SiO₂气凝胶制备示意图

SiO₂气凝胶的应用

人们利用微观结构赋予二氧化硅气凝胶的性质，通过对二氧化硅气凝胶材料进行适当的加工处理，然后在隔热领域、光学领域、电学领域、催化领域和医学领域等领域展开广泛的应用。

隔热领域

二氧化硅气凝胶具有极低的密度，相对于传统隔热材料它可以以更轻的质量、更小的体积达到相同的隔热效果，如今在航空航天、军事以及民用等领域已经展示出广阔的应用前景。如英国的“美洲豹”战斗机就是以二氧化硅气凝胶隔热复合材料作为机舱隔热层。武器动力装置上使用二氧化硅气凝胶隔热复合材料不仅能够有效阻止热源的扩散，还可以利于武器本身的反红外侦察。在建材领域，二氧化硅气凝胶也是绝佳的环保型高效隔热隔音轻质建筑材料。较好的透明性和良好的绝缘性也使其成为大有前途的窗体隔热材料。

光学领域

二氧化硅气凝胶的纳米多孔结构使其在可见光范围内的平均自由程较长，具有良好的透光率，用它作透光材料反射光损失可忽略不计。利用二氧化硅气凝胶的光学特性制备出的光学减反膜，可以应用于高功率激光系统光学元件、显示器件以及太阳能电池保护玻璃等领域。

电学领域

超低的介电常数促使二氧化硅气凝胶在电学领域中可以大量应用于导弹的高温透波材料。

催化领域

独特的纳米多孔三维网络结构，导致其具有超细颗粒、高孔隙率、高比表面积、低密度等特性，使得它有着很强的吸附性，在负载催化剂的活性、选择性、寿命等方面大大优于传统催化剂，因而在催化领域有着巨大的应用价值。

医学领域

二氧化硅气凝胶具有极高的孔隙率，同时还具有一定的生物机体相容性和生物降解性，因此可用于诊断剂、人造组织、人体器官、器官组件等生物医学领域。如通过吸附相关溶液携带药物，可应用于载药传输和控制释放系统等医疗行为。而且还可以利用二氧化硅气凝胶负载酶对生物体反应和存在的敏感响应制造生物传感器。

参考资料：

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李伟. 溶胶-凝胶法制备疏水型SiO2气凝胶

李可. 二氧化硅气凝胶及其复合材料的常压干燥制备与性能研究

刘朝辉. 二氧化硅气凝胶的制备和表征

张德忠. 二氧化硅气凝胶在保温隔热领域中的应用