氣凝膠是一種優(yōu)質(zhì)的高效隔熱材料，具有極高的孔隙率，能夠有效降低材料的固相熱傳導(dǎo)，其孔徑主要分布在介孔范圍內(nèi)（2-50nm），有效抑制了氣相傳熱。氣凝膠材料根據(jù)組分的不同，主要可分為氧化物氣凝膠材料、炭氣凝膠材料（耐高溫性可達(dá)3000℃）和碳化物氣凝膠材料。下面小編介紹以上三種耐高溫氣凝膠隔熱材料。

一、氣凝膠材料概述

氣凝膠材料具備的高孔隙率以及納米網(wǎng)絡(luò)骨架相互連接所形成的介孔結(jié)構(gòu)，決定了其具備極好的隔熱性能，在高溫催化劑載體、高溫窯爐以及超高聲速飛行器等軍用和民用領(lǐng)域作為高效隔熱材料使用。氣凝膠材料具有隔熱性、隔音性、非線性光學(xué)特性、過濾和催化特性等。

1、隔熱特性

氣凝膠材料的孔隙率達(dá)90%以上，同時(shí)氣凝膠中的孔尺寸處于2-50nm的介孔范圍內(nèi)，這種特殊結(jié)構(gòu)決定了其具備極佳的隔熱特性，同時(shí)氣凝膠材料在高溫下又能保持其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完整性，不易發(fā)生高溫?zé)Y(jié)。

Al₂O₃耐高溫性氣凝膠材料

2、隔音性

硅氣凝膠的低聲速特性，使其成為一種理想的聲學(xué)延遲或高溫隔音材料。該材料的聲阻抗可變范圍較大(103-107kg/m2·s)，是一種較理想的超聲探測(cè)器的聲阻耦合材料。

3、非線性光學(xué)特性

硅氣凝膠具有納米網(wǎng)絡(luò)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，利用化學(xué)氣相滲透法摻Si及C60后，可以觀察到很強(qiáng)的可見光發(fā)射，進(jìn)一步利用硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)以及C60的非線性光學(xué)效應(yīng)，可進(jìn)一步研制新型激光防護(hù)鏡。

4、過濾與催化性質(zhì)

納米結(jié)構(gòu)的氣凝膠可作為新型氣體過濾，與其它材料不同的是該材料孔洞大小分布均勻，氣孔率高，是一種高效氣體過濾材料。由于該材料特別大的比表而積。氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方面亦有廣闊的應(yīng)用前景。

二、耐高溫氣凝膠隔熱材料

氣凝膠材料根據(jù)組分的不同，主要可分為氧化物氣凝膠材料、炭氣凝膠材料（耐高溫性可達(dá)3000℃）和碳化物氣凝膠材料。

1、氧化物氣凝膠材料

氧化物氣凝膠材料在高溫區(qū)（＞1000℃）容易發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變及顆粒的燒結(jié)，其耐溫性相對(duì)較差，但是其在中高溫區(qū)（＜1000℃）具備較低的熱導(dǎo)率。

氧化物氣凝膠材料主要有SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、CuO等。

（1）SiO2氣凝膠材料

SiO₂氣凝膠是目前隔熱領(lǐng)域研究最多也是較為成熟的一種耐高溫氣凝膠，其孔隙率高達(dá)80%~99.8%，孔洞的典型尺寸為1~100nm，比表面積為200~1000m²/g，而密度可低達(dá)3kg/m³，室溫?zé)釋?dǎo)率可低達(dá)12m.W/（m·K）。

SiO₂氣凝膠材料

SiO₂氣凝膠材料通常是將與紅外遮光劑以及增強(qiáng)體進(jìn)行復(fù)合，以提高SiO2氣凝膠的隔熱和力學(xué)性能，使其既具有實(shí)用價(jià)值的納米孔超級(jí)絕熱材料應(yīng)，同時(shí)還兼有良好的隔熱和力學(xué)性能，主要應(yīng)用于航空航天、軍事、電子、建筑、家電和工業(yè)管道等領(lǐng)域的保溫隔熱。

常用的紅外遮光劑有碳化硅、TiO₂（金紅石型和銳鈦型）、炭黑、六鈦酸鉀等；常用的增強(qiáng)材料有陶瓷纖維、無堿超細(xì)玻璃纖維、多晶莫來石纖維、硅酸鋁纖維、氧化鋯纖維等。

（2）ZrO2氣凝膠材料

ZrO₂氣凝膠材料的孔徑小于空氣分子的平均自由程，在氣凝膠中沒有空氣對(duì)流，孔隙率極高，固體所占的體積比很低，使氣凝膠的熱導(dǎo)率很低。與SiO₂氣凝膠材料相比，ZrO₂氣凝膠的高溫?zé)釋?dǎo)率更低，更適宜于高溫段的隔熱應(yīng)用，在作為高溫隔熱保溫材料方面具有極大的應(yīng)用潛力。目前關(guān)于ZrO₂氣凝膠應(yīng)用于隔熱領(lǐng)域的報(bào)道還比較少，研究者主要致力于ZrO₂氣凝膠制備工藝的研究。

ZrO₂氣凝膠主要制備方法是由鋯鹽前驅(qū)體通過一系列的水解縮聚過程得到的。其制備主要包括兩部分：濕凝膠的制備及干燥。一般采用超臨界干燥和冷凍干燥，常用的濕凝膠制備方法有鋯醇鹽水解法、沉淀法、醇-水溶液加熱法、滴加環(huán)氧丙烷法和無機(jī)分散溶膠-凝膠法。以價(jià)格低廉的無機(jī)鋯鹽為前驅(qū)體制備ZrO₂氣凝膠和如何使提高氧化鋯氣凝膠的高溫?zé)岱€(wěn)定性是研究者的研究熱點(diǎn)之一。

（3）Al2O3氣凝膠材料

Al₂O₃氣凝膠材料

氧化鋁氣凝膠材料具有納米多孔結(jié)構(gòu)、使其具有更輕質(zhì)量、更小體積達(dá)到等效的隔熱效果，同時(shí)具有高孔隙率、高比表面積和開放的織態(tài)結(jié)構(gòu)，在催化劑和催化載體方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。氧化鋁氣凝膠還可用作高壓絕緣材料，高速或超速集成電路的襯底材料，真空電極的隔離介質(zhì)以及超級(jí)電容器。

2、炭氣凝膠材料

炭氣凝膠最大的特點(diǎn)就是其在惰性及真空氛圍下高達(dá)2000℃的耐溫性，石墨化后耐溫性能甚至能達(dá)到3000℃，而且炭氣凝膠中的炭納米顆粒本身就具備對(duì)紅外輻射極好的吸收性能，從而產(chǎn)生類似于紅外遮光劑的效果，因此其高溫?zé)釋?dǎo)率較低。但是在有氧條件下，炭氣凝膠在350℃以上便發(fā)生氧化，這使得其在高溫隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用受到了極大地限制。隨著SiC、MoSi₂、HfSi₂、TaSi₂等高抗氧化性涂層的發(fā)展，在炭氣凝膠材料表面涂覆致密的抗氧化性涂層，阻止氧氣的進(jìn)一步擴(kuò)散，將使該材料具備極大的應(yīng)用前景。

3、碳化物氣凝膠材料

碳化物材料具備極好的抗氧化性能，但是其本身的熱導(dǎo)率較高，將其制成含有三維立體網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的氣凝膠，可以極大地降低材料的熱導(dǎo)率，進(jìn)一步提高材料的隔熱性能。但是國內(nèi)外對(duì)于碳化物氣凝膠的研究還相對(duì)較少，特別是對(duì)于成形性良好的塊狀碳化物氣凝膠的研究尚處于初始階段，對(duì)于其作為高效隔熱材料的研究也較為匱乏，僅限于對(duì)該材料的制備與表征。

4、多組分氣凝膠材料

多組分氣凝膠材料主要有SiO₂/Al₂O₃、TiO₂/SiO₂、C/SiC、C/SiO₂、Si-C-O、Al-C-O等。

氧化石墨烯-氧化鋁復(fù)合氣凝膠SEM圖片

三、耐高溫氣凝膠隔熱材料應(yīng)用

1、航空航天領(lǐng)域

納米孔氣凝膠超級(jí)絕熱材料可以用更輕的質(zhì)量、更小的體積達(dá)到等效的隔熱效果。這一特點(diǎn)使其在航空、航天應(yīng)用領(lǐng)域具有舉足輕重的優(yōu)勢(shì)。用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱材料，既起到了極好的隔熱作用，又減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。

納米孔氣凝膠超級(jí)絕熱材料應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域

2、工業(yè)及建筑絕熱領(lǐng)域

耐高溫氣凝膠隔熱材料在工業(yè)及民用領(lǐng)域有著廣泛和極具潛力的應(yīng)用價(jià)值。首先，在電力、石化、化工、冶金、建材行業(yè)以及其他工業(yè)領(lǐng)域，熱工設(shè)備普遍存在。工業(yè)節(jié)能中，納米孔超級(jí)絕熱材料也起著非常重要的作用，其中有些特殊的部位和環(huán)境，由于受重量、體積或空間的限制，急需高效的超級(jí)絕熱材料。

耐高溫氣凝膠隔熱材料應(yīng)用于管道鋪設(shè)

3、儲(chǔ)氫材料

炭氣凝膠具有高比表面積、低密度、連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)且孔洞尺寸很小又與外界相通，具有優(yōu)良的吸、放氫性能。據(jù)了解，美國能源部專門設(shè)立了機(jī)構(gòu)，研究摻雜金屬的炭氣凝膠貯氫，并給予財(cái)政資助。

炭氣凝膠應(yīng)用于儲(chǔ)氫材料

4、熱電池領(lǐng)域

耐高溫氣凝膠隔熱材料應(yīng)用于電池隔熱材料，可延長熱電池的工作壽命，防止生成的熱影響熱電池周圍的元器件。

耐高溫氣凝膠隔熱材料應(yīng)用于電池隔熱材料

作者：李波濤

參考文獻(xiàn)：

1. 李俊寧，胡子君，孫陳誠，一種炭泡沫原位增強(qiáng)炭氣凝膠高

溫隔熱材料及其制備方法。

2. 伊希斌，王修春，張晶等，自生納米纖維增強(qiáng)SiO₂氣凝膠的制備及性能研究。