氣凝膠是由膠體粒子或聚合物分子相互作用形成的三維納米多孔固態材料，由于孔隙中充滿氣態分散介質，具有超輕、低密度、納米微孔等特征，是世界上密度最小的固體材料，被稱為“凝固的煙”。自 20 世紀 30 年代 Kistler教授首次合成多孔無機氣凝膠以來，氣凝膠的種類逐漸豐富，發展出了氧化物氣凝膠、有機物氣凝膠、碳化物氣凝膠等多種類型的氣凝膠，其中，二氧化硅氣凝膠是研究較深入和應用相對成熟的一種。

二氧化硅氣凝膠通常采用溶膠-凝膠法合成濕凝膠，再經過老化、干燥等步驟形成。其極高的孔隙率（80%～99.8%）和極低的熱導率[0.005～0.1 W/（m·K）]，使得原子間的震動難以傳遞，為阻隔熱量傳遞提供了絕佳的屏障，再結合其極低的密度（0.003～0.5 g/cm³），二氧化硅氣凝膠成為了建筑、航空航天等領域隔熱材料的優選，但是由于二氧化硅氣凝膠微觀結構主要由初級和次級SiO₂粒子構成，具有松散堆積和黏結的顆粒或纖維組成的珍珠項鏈狀網絡，其中硅氧共價鍵本身的弱應變性導致了二氧化硅的柔韌性較差，在實際使用過程中容易出現開裂、破碎從而失效的情況。為了提升二氧化硅氣凝膠的柔韌性，科研人員除了采用常用的組分增強法，還開發了多種新工藝應用于制備過程中。

多孔SiO₂氣凝膠的微觀結構

一、組分增強

1、有機基團增強：

硅氧（Si-O）共價鍵是一種具有較強剛性的化學鍵，因此通過降低硅氧結構的密集程度，使得氣凝膠在外部受到壓縮或拉伸等應力時更容易發生形變而不容易破裂，可選用甲基三甲氧基硅烷(MTMS)、二甲基二甲氧基硅烷(DMDMS)、乙烯基三甲氧基硅烷等具有多官能團的醇鹽作為硅源前驅體。這類前驅體在水解時不僅能降低羥基的數量，避免產生大量的硅氧鍵，同時疏水性硅甲基之間因位阻效應相互排斥，能夠使二氧化硅氣凝膠獲得粗化結構，從而賦予其一定的柔性。

以MTMS和甲醇(MeOH)為硅源制備的SiO2氣凝膠

但是由于大量疏水基團的引入，生成的球形二次粒子尺寸較大，連接脆弱，導致其骨架強度受到削弱，力學性能欠佳，循環壓縮能力偏低。

2、有機聚合物交聯：

聚合物交聯法是通過向濕凝膠體系中加入聚合物交聯劑，在濕凝膠表面的羥基上引入柔性基團，從而在骨架外層構筑強度較好的有機物包覆層來提高材料整體的力學性能。用于制備柔性氣凝膠的聚合物交聯劑通常是含有橋基的有機硅烷，有機鏈段上的橋基提供了大量的活性官能團，可進一步與其它分子交聯，降低硅氧含量的同時，使氣凝膠具有更靈活的交聯結構，彎曲性能、彈性等均有所改善，有效避免單一硅源和兩種簡單的硅源共混所產生的問題。

3、纖維增強法

通過向凝膠結構中引入連續性好的纖維增強相，可以機械方式支撐氣凝膠顆粒，為復合材料提供了應對彎曲和軸向變形的抵抗力。

纖維增強二氧化硅氣凝膠的制備

增強相根據形狀可分為長纖維、短纖維、納米纖維等纖維粉和纖維氈，短切和納米纖維制備的SiO₂復合氣凝膠，添加纖維量少，內部的纖維之間不連續，可以保持材料的穩定性，減少了對氣凝膠整體性能的影響，但在受到外力沖擊作用下，有時纖維在未斷裂前便從SiO₂基體中抽出，增韌效果不能得到很好體現。而以長纖維和纖維氈作為增強體，則可在內部形成能連續的網格結構，在受到外力作用時更有利于載荷的傳遞，避免界面上的應力集中，具備更好的抗沖擊和抗疲勞性能。

二、新型優化工藝

1、新型干燥工藝——仿生常壓干燥法

干燥處理是氣凝膠復合材料制備過程中最關鍵的環節之一，目前常用的非常壓干燥法(超臨界干燥法和冷凍干燥法)工藝復雜、價格昂貴；普通常壓干燥方法則需要耗費大量低表面張力的溶劑配合表面改性溶劑進行，不僅耗時嚴重，修飾效果不理想，還會產生鹽酸等難以處理的副產物，于是科研人員探索出了一種新型的干燥方式——仿生干燥法。

蜻蜓翅膀SEM圖

科研人員通過對蜻蜓羽化過程進行觀察，發現蜻蜓蜻蜓幼蟲體內產生的碳酸氫鹽分子可釋放出CO₂氣體，在幼蟲蛻皮時能夠不斷調節身體壓力并同時將水分“吹出”體內，從而短時間內形成類似氣凝膠的透明多孔層狀微觀結構。基于此，將這種原理引入了二氧化硅氣凝膠的干燥過程中，使用碳酸氫鈉溶液代替了普通常壓干燥的低表面張力溶劑，使反應中生成的二氧化碳原位支撐孔結構，不僅有效防止在干燥過程中孔結構塌陷，保持較高的孔隙率和較低的密度，還可減少耗材、降低成本，為柔性二氧化硅氣凝膠的研制帶來新的發展前景。

普通常壓干燥法（左）vs仿生常壓干燥

2、點對點局部燒結

為了避免二氧化硅氣凝膠的孔結構塌縮而喪失固有的性能，在制備時并沒有進行燒結，這也是其呈現脆性的原因之一。對此，科研人員提出了“點對點燒結”的概念，即通過精確控制反應條件，使燒結只發生在顆粒接觸點，燒結后仍保留多孔結構。

點對點燒結示意

普通燒結是針對燒結對象由外向內進行整體加熱，其反應的進行基于體積擴散，難以實現選擇性強化燒結。而微波燒結、放電等離子燒結等新型燒結技術具有整體加熱、燒結溫度低、速率高、選擇性強、燒結體顯微結構均勻等特點，能量選擇性作用于粒子間接觸的頸部位置，既能使顆粒接觸點實現了有效燒結而獲得足夠的強度，又不會因為體積擴散導致孔結構塌縮而喪失氣凝膠材料的固有特性。

參考文獻：

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