二氧化硅气凝胶材料的研究进展

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摘 要：二氧化硅气凝胶是一种结构可控的新型轻质纳米多孔性非晶固态材料， 被称作“蓝烟”、“固体烟”，是目前已知的最轻的固体材料，具有低密度、高孔隙率、高比表面积、低热导率、低光折射率等特点，在力学、声学、热学、光学等诸多方面显示出独特性质，被称为“改变世界的神奇材料”。介绍二氧化硅气凝胶材料的发展历史、制备方法、性质和应用前景。

关键词：气凝胶 二氧化硅 纳米材料

中图分类号：O646 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）001-040-04

1引言

气凝胶通常是指以具有纳米量级微细颗粒相互聚集构成的纳米多孔网络结构，并在纳米量级的网络骨架中充满大量气态分散介质的轻质纳米固态材料。其中SiO2气凝胶，最受关注，也是近年来研究最多的气凝胶。与碳气凝胶、Al2O3和TiO2等其它气凝胶相比，SiO2气凝胶原材料来源丰富，制备工艺简单，可控性好；性能方面，SiO2气凝胶同时兼有玻璃的高透明性，聚苯乙烯、聚氨酯类有机高分子材料的低热导率特性以及炭黑材料的高比表面积等特性。图1A展示了SiO2气凝胶材料的低密度特性，密度范围为0.004-0.5 g/cm3，最轻的SiO2气凝胶材料密度仅是空气的三倍；图1B 展示了SiO2气凝胶良好的绝热特性，2-3厘米厚的气凝胶可以把800℃的高温降至30℃。SiO2气凝胶结构的特异性和优良的综合性能受到越来越多的关注，仅1990 年以来，美国《科学引文索引》收录的关于SiO2气凝胶文献就多达800多篇，美国第 250 期《科学》杂志更将其列为20世纪 90年代十大热门技术之一。有望和前几代神奇产品，如：20世纪30年代的酚醛树脂、20世纪80年代的碳纤维和90年代的硅树脂相媲美，并被称为未来可能改变世界的材料。

2 SiO2气凝胶发展历史

早在 20 世纪 30 年代初，美国的斯坦福大学 Kistle就已经通过水解水玻璃的方法制得了SiO2湿凝胶，并且尝试用空气来置换湿凝胶中的液体溶液。他在当时以硅酸钠为原料，在盐酸催化条件下水解生产湿凝胶。反应方程式如下：

国内也早在上个世纪90年代开始了关于气凝胶的研究。例如，上海同济大学陈龙斌研究小组系统的研究了SiO2气凝胶的制备方法，结构和品质优化。中国科学院过程研究所研究小组，以正硅酸乙酯为硅源，乙醇和水为溶剂，凯芙拉纤维为增强相，通过溶胶凝胶及常压干燥等步骤，实现了凯芙拉纤维增韧SiO2气凝胶复合材料的常压制备。对于商业化应用方面，国内目前有绍兴纳诺高科有限公司，山西天一纳米材料科技有限公司，广东埃力生高新科技有限公司等几家公司，但其生产规模均较小，产品都以气凝胶粉末为主，主要应用在工业以及建筑行业的保温领域。

3 制备方法

气凝胶的制备通常经过两个关键步骤：第一步是形成气凝胶的网络结构的溶胶-凝胶过程，第二步是除去湿凝胶中的溶剂的凝胶干燥过程。

3.1 溶胶-凝胶过程

溶胶-凝胶技术是以金属醇盐为原料制作无机功能材料的一种新工艺。它是在温和条件下，将金属醇盐等原料经水解、缩聚等反应，由溶胶转变为凝胶，然后在比较低的温度下热处理形成金属氧化物或其它固体化合物的方法。由于这种方法的水解、缩聚等化学反应是在溶液中进行的，所以材料各组分的相互混合可达到分子水平上的均匀，这样制成的固体材料，化学组成精确，均匀性好。因此，在学术和实用方面，溶胶-凝胶技术越来越受到人们的关注。采用这用方法制造特种玻璃、玻璃陶瓷以及其它功能无机材料，能够满足光学、电子学、通信、能源和催化以及其它高科技技术领域的需要。

溶胶-凝胶法制备的气凝胶具有纯度高、均匀性好、易于掺杂、设备简单、成本低等优点。SiO2气凝胶的多孔网络结构首先由溶胶-凝胶过程形成，即以金属有机化合物为母体，在一定条件下通过水解-缩聚反应形成具有空间网络结构的醇凝胶。SiO2凝胶的制备通常以甲醇或乙醇为溶剂，将正硅酸乙酯（TEOS）与水混合，加入适量催化剂，使之发生水解反应：