1.SiO2气凝胶概述

气凝胶作为新一代高效绝热保温材料。其纳米多孔网络结构孔隙中充满气态分散介质，是世界上密度最小的固体，被称为“凝固的烟”。1931年，Kistler以水玻璃为原料，利用溶胶-凝胶工艺和超临界干燥技术首次成功地制备出SiO2气凝胶，此后气凝胶开始引起人们的关注和研究。作为一种典型的三维纳米多孔材料，SiO2气凝胶由95%以上的空气和不足5%的SiO2骨架构成，具有极高的比表面积（500-1200 m2/g）、极低的密度（0.003-0.10 g/cm3）以及极低的导热系数[0.017-0.021 W/(m·K) (25℃)]。SiO2气凝胶的阻热原理是其独立的结构带来的无对流效应、无穷多遮挡板效应、无穷长路径效应：（1）无对流效应：气凝胶气孔为纳米级，内部空气失去自由流动能力；（2）无穷多遮挡板效应：纳米级气孔，气孔壁无穷多，辐射传热降至最低；（3）无穷长路径效应：热传导沿着气孔壁进行，而纳米级气孔壁无限长。如图所示，列举了几种常用保温隔热材料的性能比较，以EPS、XPS、PUR泡沫板为代表的有机保温材料存在易燃、燃烧产生剧毒烟气、耐候性差固有缺陷；而以岩棉板、玻璃棉毡为代表的无机保温材料则存在耐候性不佳和导热系数高、自重大等问题；SiO2气凝胶及其衍生材料优异的隔热性能及其固有的高火安全特性使得其在保温绝热领域具备极大的应用潜力，尤其在工业隔热、锂电池、建筑节能、军工航天等行业。

SiO2气凝胶的发展历程涵盖技术进步和应用拓展的相互协同，自1931年气凝胶材料诞生以来，气凝胶先后历经了四次产业化：第一次产业化由美国孟山都公司主导，但由于成本过高、应用开发滞后而失败；第二次产业化在20世纪80年代，因高温超临界爆炸以及新技术经营不善而告终；第三次产业化中美国Aspen Aerogel成功将气凝胶商业化，将其应用于航天军工、石化领域，收到市场青睐；目前气凝胶处于由我国主导的第四次产业化过程中，新增众多产能的同时进一步将气凝胶的应用拓展到了动力电池、交通等民用领域。回顾气凝胶的四次产业化历程，数次受挫都与市场需求开发不足和价格过高有关。成本高昂仍是制约气凝胶推广的重要因素。与传统保温材料相比，气凝胶材料虽然在导热系数、火安全性、密度等方面优势明显，但耐候性差、易“粉化”、成本过高等缺点也仍然突出。成本的有效降低一方面依赖于制备工艺的突破，一方面则可以通过低成本原材料的大规模产业化实现，作为高性能绝热保温材料，气凝胶的普及应用需要高安全性政策法规的严格执行，同时也必须直面其他廉价材料的竞争。

2.SiO2气凝胶的制备

气凝胶制备过程主要包括溶胶-凝胶、老化、改性及干燥，其中干燥步骤最为关键。首先选择无机硅源或有机硅源作为前驱体，通过控制溶剂、温度、催化剂等制备得到湿凝胶，湿凝胶经过老化、改性干燥得到气凝胶。干燥过程为气凝胶合成过程中最为关键的步骤，原因是湿凝胶在干燥过程中，溶剂在孔中蒸发，应力极大，对于凝胶结构的保持是较大的挑战，若条件控制不当，将会导致气凝胶孔结构塌陷，使其强度降低。为了去除溶剂的同时尽量维持凝胶骨架不受破坏，从而获取完整的三维纳米多孔结构，干燥工艺是决定气凝胶产品质量关键的一步，并且其在气凝胶成本中也占有绝对分量。干燥方法包括常压干燥、超临界干燥、亚临界干燥、高温干燥、冷冻干燥和微波干燥等。目前工业主要采用的方法是超临界干燥和常压干燥。

大量研究和实践表明采用纤维作为增强相，制备纤维增强SiO2气凝胶复合材料是提高SiO2气凝胶力学性能的一种既高效又实用的方法。纤维增强的方式分为两种，第一种是凝胶整体成型法：首先将配制好的SiO2湿凝胶倒入装有纤维的模具中，确保湿凝胶完全浸入并均匀分布。经过陈化、溶剂交换、干燥等工艺，制得纤维增强SiO2气凝胶复合材料；第二种则是将制备好的SiO2气凝胶与纤维采用压制、胶合等技术复合，制得纤维增强SiO2气凝胶复合材料。与二次压制成型相比，凝胶整体成型复合材料的制备工艺简单，且所制备的复合材料具有更好的隔热性能，因此成为当前研究的重点。对于纤维增强SiO2气凝胶复合材料，当前采用的纤维多为脆性或刚性无机纤维，以玻璃纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维等为代表的纤维增强体通常具有高强度、耐高温及低导热性能等优点，是改善SiO2气凝胶力学性能和尺寸稳定性的良好增强材料。尽管采用无机纤维增韧气凝胶提高了复合材料的抗压强度，但也存在明显的不足之处：由于无机纤维密度较大，所得到的纤维气凝胶复合材料常常以过多增加密度和热导率为代价；无机纤维与气凝胶结合不牢固，复合材料“掉粉”现象较突出，并且无机纤维气凝胶复合材料多数不适合承受弯曲载荷，使得纤维增强SiO2气凝胶复合材料几乎没有柔韧性。因此，在具体使用过程中，可以降气凝胶复合材料外表包覆膜材料、玻璃布等，避免气凝胶复合材料掉粉、破碎，进一步地保障其完整性以最大化保温绝热功效。

3.气凝胶制品相关标准

2018年9月1日，我国第一个气凝胶材料国家标准《纳米孔气凝胶复合绝热制品》正式实施，适用于工业及建筑领域用纳米孔二氧化硅基气凝胶复合绝热产品。气凝胶行业标准不断推出和立项，一方面，有利于规范气凝胶在工业、建筑、交通、新能源、航空航天等领域的运用，在设计、施工和验收等环节提供技术保证；另一方面，随着气凝胶的优越性能逐步被市场认可，不同领域、不同用途气凝胶标准的出台有助于打开气凝胶下游市场的广阔消费空间。