二氧化硅气凝胶及其在保温隔热领域应用进展

潘月磊，程旭东，闫明远，何盼，张和平

（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230027）

二氧化硅气凝胶是由纳米二氧化硅颗粒相互连接形成的多孔三维网络结构固体[1−2]，通常通过溶胶−凝胶化学合成，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）将其定义为“Process through which a network is formed from solution by a progressive change of liquid precursor(s) into a sol, to a gel, and in most cases finally to a dry network”[3]，中文含义为“通过液体前驱体逐渐转变为溶胶、凝胶，并最终由溶液形成干燥网络的过程”。二氧化硅气凝胶具有超低堆密 度（0.003～0.200g/cm3）[4−5]、高 孔 隙 率（80%～99.8%）[4−6]、大比表面积（500～1500m2/g）[7−8]及低热导率[0.015～0.030W/(m·K)][1,8]等优异性能，在保温、隔音、吸附和光催化等领域均拥有广阔的应用前景，被誉为“将改变世界的神奇材料”。自从二氧化硅气凝胶首次于1931 年被美国科学家Kistler发明以来，至今已经90 余年。虽然二氧化硅气凝胶发展历程较长，但是其真正实现商业量产才有近20年时间。2001年，美国Aspen公司首次实现二氧化硅气凝胶商业化生产。然而二氧化硅气凝胶的应用范围仍然受限，其大规模推广仍存在诸多问题：一方面，二氧化硅气凝胶自身较脆，力学强度差，无法直接应用；
另一方面，现在二氧化硅气凝胶生产普遍采用技术门槛要求相对较低的超临界干燥方法，但该方法投入较大，制备成本较大，导致二氧化硅气凝胶产品价格居高不下。为了解决以上问题，国内外学者开展了广泛和深入的技术攻关。针对二氧化硅气凝胶力学性能差的问题，目前主要利用二氧化硅气凝胶与增强相复合，从而提高气凝胶的力学性能，增强相主要包括无机纤维、有机纤维、高分子骨架等。以上形式的产品主要用于军用装备保温、输油管道保温、建筑外墙保温等。此外，还有用玻璃作为包覆层制成气凝胶保温隔热玻璃。针对二氧化硅气凝胶制备成本高的问题，主要通过常压干燥工艺替代超临界干燥工艺方法，从而从根本上降低二氧化硅气凝胶的生产成本。但常压干燥方法技术门槛高，工艺复杂，常压干燥得到的二氧化硅气凝胶品质参差不齐，目前主要小范围应用于气凝胶涂料以及混凝土砂浆等。本文旨在对二氧化硅气凝胶制品在保温隔热领域的应用发展动态进行分析总结，同时对其未来应用趋势进行展望。

用以制备二氧化硅气凝胶的前体可以是无机金属盐或硅醇盐[9−11]，其中硅醇盐具有化学性质相对简单、纯度高、易于功能化等优点，使其成为二氧化硅溶胶−凝胶化学中最常用的前体，例如正硅酸四甲酯（TMOS）[12]或正硅酸四乙酯（TEOS）[13]。在反应活性上，TMOS 的活性比TEOS 更好，水解速度更快且生成的Si—OH 聚合更容易进行[14]。然而TMOS成本更高且水解时生成的甲醇对环境和人体有较大危害，因此目前最为常见的硅醇盐仍为TEOS[15−16]。二氧化硅气凝胶的制备过程主要包括水解、缩聚、老化、干燥。典型的制备流程如图1所示。

图1 典型的二氧化硅气凝胶合成示意图

（1）水解 以TEOS 为例，在催化剂的作用下硅源水解后形成溶胶，生成物中活性Si—OH增多，为后续缩聚反应提供活性反应位点[17]。

（2）缩聚 在合适的催化剂作用下，活性Si—OH之间发生聚合，形成—Si—O—Si—长/短链相互连接的三维骨架凝胶[18]。根据使用的分散介质分类，凝胶可以分为水凝胶和醇凝胶。

（3）老化 通常将凝胶浸泡在母液中老化，从而增强凝胶强度，降低干燥过程中骨架坍塌和收缩风险[19]。

（4）干燥 在保留凝胶三维骨架结构完整的条件下去除孔隙中的液体，因此该过程需要采用特殊的干燥处理方法[20]。

二氧化硅气凝胶制备过程中最为关键的环节是干燥环节，在保持凝胶网络不被破坏的前提下从基质中去除溶剂，从而产生体积和形状不变的多孔固体。在干燥过程中，有两个主要因素影响凝胶的固体多孔结构：①三维网络骨架不可避免的部分坍塌，主要是因为凝胶体内部微收缩产生压力梯度，最终导致三维骨架裂缝生成；
②由于整个三维网络中的孔隙尺寸不同，具有不同半径的相邻孔隙显示出不同的“弯月面”消退速率（在较大的孔隙上更快），最终不同尺寸的孔之间的壁面承受不均匀的应力从而发生结构破坏。目前常用的干燥技术包括超临界高压干燥、冷冻干燥和常压干燥。其中，超临界高压干燥工艺的技术门槛低、干燥效果好，是目前最普遍应用的干燥方法。然而超临界高压干燥方法设备复杂、高压工艺较危险且成本高，因此低成本的常压干燥方法是未来发展趋势。在常压干燥过程中，湿凝胶孔隙中的溶剂以三种状态共存：充满孔隙的液体、气液过渡相和气相。干燥时三维孔隙中不断后移的弯月液面会引起较高的毛细管压力（在纳米孔内可以达到几百bar，1bar=0.1MPa）[21]。当干燥过程中的毛细管压力差超过二氧化硅三维骨架结构的弹性极限时，内部结构将被破坏，最终得到破碎且收缩严重的颗粒状二氧化硅气凝胶。目前已报道的减少气凝胶在常压干燥过程中骨架坍塌的方法主要有老化控制[22]、低表面张力溶剂置换和表面改性[23]等方法。但干燥效果与超临界干燥方法仍有差距，如何优化制备工艺从而提高常压干燥制备气凝胶的品质是当前研究的主要技术难点。此外，常压干燥工艺通常需要进行醇溶剂交换[24]和硅烷表面改性[25]，以上过程将消耗大量有机溶剂，设计全新反应路径以减少溶剂用量是其第二大技术难题。

二氧化硅气凝胶是具有珍珠项链状骨架网络的多孔固体材料[图2(a) (b)]，典型的等温吸脱附曲线如图2(c)所示。从图中可以看到气凝胶的等温吸脱附曲线是带有H3 型磁滞回线的Ⅳ型等温线，说明气凝胶的微观孔隙含丰富的介孔结构，图2(d)也表明气凝胶的孔径主要分布在20～40nm 之间且孔隙率极高（>90%）。然而，气凝胶内部纳米颗粒之间的颈部区域机械强度较差，受压后极易破碎，严重限制了二氧化硅气凝胶的推广应用[26−27]。近年来，科学家们在二氧化硅气凝胶力学性能增强方法方面做了大量努力，主要方法包括老化条件优化方法、热处理方法、纤维复合增强方法和高分子聚合物复合增强方法等。以上方法各有优劣，需要根据不同应用场景进行选择。

图2 典型的二氧化硅气凝胶微观结构及实物图（1Å=0.1nm)

（1）老化条件优化方法 湿凝胶形成后，在其骨架界面仍然进行着缓慢的粒子溶解与沉淀的反应（Ostwald 熟化机制）[28]，因此通过改变湿凝胶老化过程中的温度、时间和浸泡液体种类等条件可以粗化凝胶骨架颈部，从而增强气凝胶的力学性能。Smith 等[29]通过优化老化温度和时间将二氧化硅气凝胶的剪切模量提高了2倍，但其力学性能仍然较差，仅能在气凝胶窗户和太阳能电池板等特殊场景应用。

（2）热处理方法 将二氧化硅气凝胶进行热处理能够使三维骨架致密化，从而提升其骨架强度。Rolison 等[30]通过900℃热处理使得气凝胶的压痕模量和硬度分别提高了3.1倍和2.4倍，但气凝胶仍显脆性，大规模应用受限。

（3）纤维复合增强方法 该方法是将纤维与气凝胶复合，以纤维作为支撑相从而改善气凝胶的力学性能。根据纤维的类型，可以将纤维气凝胶复合材料分为无机纤维增韧二氧化硅气凝胶复合材料和有机纤维增韧二氧化硅气凝胶复合材料。无机纤维具有高热稳定性和低热膨胀系数，制备得到的无机纤维−气凝胶复合材料可以应用在500℃以上的高温隔热领域[31]。有机纤维可以赋予二氧化硅气凝胶复合材料更好的柔韧性和气凝胶结合强度[32]，但有机纤维−气凝胶复合在高温下的耐受性较差。

（4）高分子聚合物复合增强方法 高分子聚合物力学性能优异，一般具有高弹形变和黏弹性，因此将其与二氧化硅气凝胶复合可以增强气凝胶的柔韧性和压缩强度。按照高分子聚合物与二氧化硅气凝胶的结合方式可以将复合材料分为共凝胶型、涂层型和表面反应型。Boday 等[33]首先采用(氨基丙基)三乙氧基硅烷与四乙氧基硅烷共聚制备得到胺改性二氧化硅气凝胶，然后将氰基丙烯酸甲酯蒸气吸附在气凝胶上并在胺基的引发下发生自身的聚合，最终得到高分子聚合物−气凝胶复合材料。所得复合材料（0.095～0.230g/cm3）的弯曲强度比纯气凝胶高31 倍，并且能够支撑其自身质量3200 倍的物体而保持结构的完整。应用该方法时需注意调控聚合物与气凝胶的比例，若聚合物含量过高容易降低气凝胶的孔隙率，从而降低气凝胶的保温隔热性能[34]。

得益于二氧化硅气凝胶众多优异特性，其已成功应用在众多领域，如催化剂载体材料[35]、隔音材料[36]、保温隔热材料[37]、有毒气体吸附材料[38]和宇宙尘埃收集材料[39]等，展现了气凝胶巨大的应用前景。本文着重介绍二氧化硅气凝胶在保温隔热领域应用的研究进展，分析其在应用过程中的共性技术难点和发展趋势，以期拓展气凝胶研究和应用领域。

3.1 航空航天

高性能隔热材料是航空航天飞行器热防护的关键组件之一，对于高超声速飞行器而言，在长时间承受气动加热条件下[40]，机体表面会产生极高的温度，为避免飞行器主体结构及内部仪器设备受热侵蚀危害，选择综合性能优异的隔热材料至关重要。一方面，隔热材料需要有效阻隔外部热量流向机体内部，以免影响机体相关设备正常工作；
另一方面该隔热材料需要具备较好的热稳定性和轻质特性，其对提高导弹、航天飞行器的有效载荷，增大飞行距离都具有重要意义[41]。二氧化硅气凝胶密度仅约0.08g/cm3，室温热导率低至0.016W/(m·K)，能够满足航空航天对于轻质高效隔热材料的需求[42]。

目前Aspen Systems 公司制备的纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料已应用到美国航空航天局相关项目中[43]，如通过将气凝胶与陶瓷纤维、有机纤维等复合得到复合功能化材料，成功应用于火星探测器的温度敏感探头外部保护及星云捕获器上，同时二氧化硅气凝胶复合材料在高超声速飞行器、超声速巡航导弹的内部热防护方面均得到成功应用[44−45]。美国航空航天局开发的陶瓷纤维基−二氧化硅气凝胶复合材料已成功用作航天器端面以及燃料箱隔热材料，其不仅可以隔热，也可防止深冷燃料箱在发射前冻结。该材料的隔热性能比现有航天器隔热瓦高10～100倍，同时具有耐温高的显著优势。陶瓷纤维−SiO2气凝胶复合材料还被应用在飞机黑匣子上以及英国美洲豹战斗机的机舱隔热层（图3）。

图3 英国“美洲豹”战斗机的驾驶舱机舱采用气凝胶隔热材料

二氧化硅气凝胶轻质、低热导率的特性使其成为航空航天隔热材料中最受关注的材料之一，但二氧化硅气凝胶在航空航天应用中还存在如下两个问题：①气凝胶自身的力学强度低，因此在航空航天领域应用中通常需要将气凝胶与纤维材料复合从而克服其力学性能较差的缺陷；
②二氧化硅气凝胶的极限工作温度通常为600℃，无法适用于现在日益快速发展的超声速或超高声速飞行器端面隔热，未来还需要考虑通过多相态融合和微结构设计，将二氧化硅气凝胶的应用温区向更高温度拓展。

3.2 军工领域

军工领域对高性能技术产品的需求比民用领域更为强烈，二氧化硅气凝胶作为新型高性能保温隔热材料的重要一员得到了军工领域的青睐。美国Aspen公司较早开展了二氧化硅气凝胶在新型驱逐舰结构防火墙隔热系统、运载火箭燃料低温贮箱以及阀门管件保温系统等应用研究[46]。如图4 所示，印度海军“INS Arihant”战略导弹核潜艇的腔体采用气凝胶进行保温隔热，从而减少传统保温隔热材料排放的NOx。此外，美国NASA Ames 研究中心[47]以硅酸铝纤维为支撑骨架，用二氧化硅气凝胶填充耐火纤维骨架中孔隙从而制备得到硅酸铝纤维增强的SiO2气凝胶隔热瓦，已运用到核潜艇、蒸汽动力导弹驱逐舰的核反应堆。该材料要比普通的耐火纤维材料热导率更低，可有效降低保温隔热材料的用量并增大舱内的使用空间，同时可以维持舱内温度，改善舱内工作环境。该隔热瓦还应用在武器动力装置上，阻隔热辐射，有利于武器装备的反红外侦察[48]；
此外，气凝胶在军用热电池上也有应用，能够提高军用热电池的热寿命[49]。

图4 印度“INS Arihant”战略导弹核潜艇的腔体采用气凝胶保温隔热材料

赋予二氧化硅气凝胶更多功能是其在军工领域应用研发的主要方向之一，例如军用防护服除需具备保温隔热功能，还要求具备红外屏蔽功能（隐身），从而更好适应现代战争需求。因此，如何实现二氧化硅气凝胶的多功能化设计是其在军工领域应用中需要思考的重要问题。

3.3 工业储罐及管道

对石油化工、工业、城镇供暖等热力管道进行保温处理可以降低热量损失，同时可有效减少管裂和腐蚀等情况发生，是工业生产中必要的节能措施。目前市面上常见的暖通等生活管道的保温材料主要是有机高分子类泡沫，例如聚氨酯泡沫、酚醛泡沫、聚苯乙烯泡沫等，然而这些材料易燃，火灾危险性大。而二氧化硅气凝胶安全、质轻、隔热性能好，综合性能优势大。研究[50]表明将气凝胶隔热复合薄膜材料覆盖在金属管道表面，覆盖后的材料热导率可降低至0.084W/(m·K)。此外，覆盖气凝胶复合薄膜后的管道材料的耐火极限时间可达到70min，有效提升了管道安全性。在化工管道保温应用中主要采用二氧化硅气凝胶复合毡形式（图5），无需特殊防水措施（疏水率≥99%），在雨天或潮湿的环境下仍可施工。此外，气凝胶复合毡具有较好的抗震抗拉性，在使用过程中无颗粒堆积、沉降等现象，使用寿命长[51]。在直埋蒸汽管道保温隔热层应用中，在满足最大允许热损失量的前提下，采用二氧化硅气凝胶复合毡所需的保温层厚度比玻璃纤维毡可节省40%～54%，从而减少管道直埋占用空间[52−53]。此外二氧化硅气凝胶复合毡的力学性能十分优异，在10%形变下的抗压强度≥100kPa，解决了传统保温材料结构松散、压缩形变大、压缩后热导率上升明显的缺点。随着城市供暖需求增大，供暖管网的铺设距离由早期的5km 增大到20～30km，因此需要更加有效的保温措施。二氧化硅气凝胶毡具有优异的保温性能，在蒸气温度高且现场空间狭小苛刻的条件下有更好的发挥空间。除此之外，二氧化硅气凝胶毡垫还成功应用到了输油管道保温和中海油海南LNG 输送管线上，管线长时间稳定运行验证了二氧化硅气凝胶优良的保温隔热和安全稳定性能[54]。

图5 气凝胶毡垫在化工管道上应用

虽然二氧化硅气凝胶在工业储罐和管道应用已有应用案例，但是其在该领域大规模推广工作仍然任重道远。这主要是因为二氧化硅气凝胶与传统保温相比，成本仍然较高，因此探索利用低成本常压干燥工艺替代超临界干燥工艺，从而降低气凝胶生产成本是助推其大规模应用的重要研究方向之一。

3.4 锅炉

注汽锅炉正常运行时，其热损失主要有三个方面[55]：一是排烟热损失，二是炉体散热损失，三是未完全燃烧热损失。当锅炉长时间运行后，炉内保温层老化，保温效果差，热损失加大，锅炉保温性能下降。炉体外表面温度升高，不仅增大了热损失，而且还存在一定的安全隐患。利用气凝胶优异的保温隔热性能，将其应用于锅炉表面保温隔热可以大幅降低锅炉表面温度和锅炉热损失。在实际使用中，往往将纤维基体和二氧化硅气凝胶复合形成气凝胶毡垫，再应用到锅炉炉体上。锅炉使用气凝胶复合材料后，炉体表面温度可降低约39℃，热效率从79.7%提升到81.9%，节能2.2%[56−57]。KLAY EnerSol 公司研发的气凝胶复合材料成功应用于锅炉炉体、蒸汽管道、接口等区域（图6），有效减少热能损耗。锅炉温度一般较高，因此二氧化硅气凝胶复合材料中的纤维需具备耐高温性能，使用耐高温的多晶莫来石纤维与二氧化硅气凝胶复合是较为优选的方案。二氧化硅气凝胶目前在锅炉应用较少，主要与其制造成本有关，相对于其他保温材料，二氧化硅气凝胶目前的市场产品价格仍然非常昂贵。另一方面，工业用锅炉的温度都较高，气凝胶长时间工作耐温极限一般低于600℃，因此其在高温锅炉中的应用较为受限，提高二氧化硅气凝胶耐高温性能是未来发展趋势。

图6 气凝胶复合材料在锅炉系统中应用

3.5 建筑保温与家居生活

在碳中和的战略背景下，建筑保温隔热材料也向节能、环保以及高效等方向发展。当前市场上主要的建筑保温材料，如岩棉、玻棉等无机纤维棉，存在纤维结构疏松、易吸湿等问题，使用周期中保温性能会大幅下降、聚苯乙烯和聚氨酯泡沫等有机保温材料存在火灾风险[58−59]。二氧化硅气凝胶轻质、导热低、寿命长且疏水性能好，可以满足建筑领域的保温隔热防火隔音防水等需求。目前，二氧化硅气凝胶的应用形式主要有气凝胶节能玻璃[60]、气凝胶涂料[61]、气凝胶毡垫[62]、气凝胶板材[63]、气凝胶混凝土和砂浆[64]以及屋顶太阳能集热器[65]等。

3.5.1 二氧化硅气凝胶节能玻璃

透明围护结构是建筑节能的薄弱环节，其中玻璃作为透明围护结构的主要材料，其节能性能至关重要[66]。二氧化硅气凝胶良好的透光、绝热和降噪能力使其在建筑领域尤其是建筑玻璃的应用具有明显优势（图7）[67]。

图7 气凝胶玻璃在民用建筑中的应用[67]

将气凝胶应用到玻璃中，不仅可减少玻璃的散热，还能满足采光需求。在保证外观和采光的基础上，二氧化硅气凝胶玻璃耐热性更好，抗辐射能力更强，同时还可调色和吸声，具有显著应用优势。目前二氧化硅材料在建筑玻璃的应用上主要包括气凝胶涂膜玻璃[68]、块状气凝胶玻璃[69]和颗粒气凝胶填充玻璃[70]三种，其制备工艺和性能特点如表1所示。

表1 不同SiO2气凝胶玻璃制备工艺流程及特点

气凝胶玻璃仍处于工业研发阶段，相关技术壁垒高，在实际中只有少量的工程应用。目前已有的生产颗粒气凝胶填充玻璃的厂家也主要集中于欧美发达国家，国内2015 年首次在长沙实现量产[71]，但气凝胶玻璃仍处于起步阶段，离实际应用仍任重道远。

3.5.2 二氧化硅气凝胶涂料

气凝胶保温隔热涂料是二氧化硅气凝胶应用的一个重要分支[72]。如图8所示，气凝胶保温隔热涂料的制备过程主要包括如下步骤[73]：①二氧化硅气凝胶颗粒、稳定剂（或消泡剂）和水混合研磨形成均匀气凝胶浆料；
②然后加入树脂和分散剂进一步搅拌分散；
③依据实际需要再混入各类助剂（如二氧化钛、远红外陶瓷粉和空心玻璃珠等）和染色剂，得到二氧化硅气凝胶涂料。

图8 二氧化硅气凝胶隔热涂料制备流程图

国外关于气凝胶保温隔热涂料研究起步较早，1998 年Schmidt 等[74]通过将二氧化硅气凝胶添加到聚氨酯成膜剂中制备得到了气凝胶保温隔热涂料，其热导率仅为0.015W/(m·K)，具有优异的保温隔热性能。2003年Kim等[68]利用正硅酸四乙酯制备了二氧化硅气凝胶涂层并涂覆在玻璃上，发现当涂层厚度为100μm 时，玻璃热导率可低至0.2W/(m·K)，较未涂覆前下降了90%。但由于该涂层是利用溶胶自身的黏度附着在玻璃上，其附着力较差，仅能维持3个月。在此基础上，许多研究通过改变成膜剂的种类进一步优化涂料的黏附性，以便气凝胶涂覆在基材表面。例如，Liu 等[75]利用自交联丙烯酸乳液作为成膜物制备得到了气凝胶保温隔热涂料，提高了气凝胶黏附力。气凝胶涂料热导率低、施工简单，有较大的应用潜力，但目前仍没有较好的方法解决二氧化硅气凝胶在浆料中分散性差、容易团聚等问题导致涂层热导率高的难题。针对以上问题，有以下几个改进思路：①对气凝胶或者成膜剂进行表面改性从而增强其在溶质中的分散性；
②优选表面活性剂提高气凝胶在溶剂中的分散均匀性和稳定性。

3.5.3 二氧化硅气凝胶毡

二氧化硅气凝胶毡是指将二氧化硅气凝胶在溶胶阶段与纤维增强体复合，随后通过凝胶、老化、干燥等过程制备得到的保温隔热毡垫[76]，典型生产工艺如图9所示。一方面，二氧化硅气凝胶毡垫较好地保留了气凝胶优异保温隔热性能，热导率可以低至0.0142W/(m·K)[77]。另一方面气凝胶毡垫有效解决了二氧化硅气凝胶机械强度低导致的难以应用问题[78]。目前，气凝胶毡垫的纤维基体主要有无机纤维和有机纤维两大类。无机纤维基体主要包含玻璃纤维、氧化铝纤维和石英纤维等[79−80]。无机纤维具有高热稳定性和低热膨胀系数，因此无机纤维增韧气凝胶毡垫具有较宽的温度使用范围，但其柔性较差且与气凝胶的结合力弱，容易造成“掉粉”。而有机纤维，如聚丙烯纤维、聚酯纤维、芳纶纤维、纤维素纤维等可以赋予气凝胶毡垫更好的柔性和气凝胶结合强度[81−82]，然而有机纤维的热稳定较差，并不适用于实际保温隔热应用[83]。

图9 二氧化硅气凝胶毡垫工业化生产流程图[1]

目前市场上气凝胶毡垫的纤维增强体部分主要采用的是玻璃纤维针刺毡，使用温度一般可以达到550℃，这类产品已经成功应用到了石油管道、城市热力管网中[84]。但其大范围应用还需解决以下问题：①产品价格较为昂贵；
②在运输、安装和使用过程中，毡垫存在“掉粉”问题[85]；
③使用温度有限，限制了其在高温领域（例如防排烟管道、高温冶炼、航空航天等领域）的使用[86]。针对产品较为昂贵的问题，可以通过优化工艺（如常压干燥方法），合理选取较低成本的硅源来解决。对于二氧化硅气凝胶毡垫“掉粉”问题，则可以通过化学接枝方法来增强气凝胶颗粒与纤维之间的相互作用力。此外，为解决二氧化硅气凝胶毡垫使用温度较低的问题，一方面可以通过采用耐温纤维增强体（硅酸铝纤维、氧化铝纤维等）来解决，另一方面采用锆、铝、钇等耐温物质与二氧化硅气凝胶杂化，进而提高二氧化硅气凝胶自身使用温度[87]。

3.5.4 二氧化硅气凝胶混凝土砂浆

水泥、混凝土是最常见的建筑工程材料之一，但其保温隔热性能差，较难满足高标准建筑节能要求。将二氧化硅气凝胶与混凝土砂浆复配，可提高混凝土砂浆孔隙率并优化内部传热路径，从而改善混凝土砂浆的保温隔热性能（图10）[88]。

图10 含40%气凝胶的混凝土砂浆样品的扫描电镜图像(a)以及混凝土力学强度随气凝胶掺杂含量的变化规律(b)[89]

挪威科技大学Gao 等[90]将二氧化硅气凝胶粉末掺入混凝土中，成功制备了一种二氧化硅气凝胶混凝土砂浆，当气凝胶体积分数为60%时，所得气凝胶混凝土的密度约为1g/cm3，热导率从1.86W/(m·K)降低到约0.26W/(m·K)，该方法得到的混凝土砂浆的热导率大幅下降。随后有关研究人员[91]开展了气凝胶含量对混凝土砂浆隔热性能、力学性能影响研究，结果表明气凝胶能提高混凝土的保温隔热性能，但同时也会降低其抗压强度[92−93]。如图10 所示，当气凝胶体积分数达到60%，混凝土的抗压强度从150MPa 降低到20MPa，下降了86.7%[89,94]。因此，气凝胶混凝土砂浆的应用仍存问题：①气凝胶的掺杂会导致混凝土混合浆料抗压强度下降，因此在保证保温隔热效果的同时，需进一步优化其力学性能；
②二氧化硅气凝胶粉末易团聚，较难均匀且稳定地分散在混凝土浆料中，影响其热导率和力学性能。针对以上问题，可以从以下几个方面入手解决：①在混凝土浆料中添加具有一定强度的预制多孔纤维骨架，例如陶瓷纤维毡等，进而对混凝土浆料的孔隙结构进行优化，从而减少气凝胶的用量，保证气凝胶混凝土浆料的保温隔热性能和抗压强度都处于较为优异的范围；
②对气凝胶及混凝土浆料进行适当的改性，使得二氧化硅气凝胶与混凝土浆料之间存在化学键作用，进而提高二氧化硅气凝胶在混凝土浆料中的分散性和稳定性。

3.5.5 二氧化硅气凝胶用于太阳能集热器

优化太阳能热水器保温系统的保温隔热性可以有效提高其能源利用率。气凝胶可应用在热水器的集热板、储水箱、管道和集热器保温系统中，从而提高现有太阳能热水器的集热效率并降低其热损失[95]。国外研究表明，配有厚度20mm 气凝胶的太阳能集热器具有优异的绝热性能（图11）[96]。与传统接收器相比，当入口热流温度在583～823K范围内，垂直辐照度在400～1000W/m2范围内时，气凝胶可以减少集热器7.3%～10.1%热损失，集热器效率可提高0.01%～2.92%。

图11 气凝胶在太阳能集热器中的应用示意图[63]

3.6 冷藏集装箱

冷藏集装箱需要具有良好的隔热性能，可维持低温环境，用于各类易腐物品的运输。传统的冷藏集装箱的隔热材料一般采用玻璃纤维、石棉、岩棉、聚笨乙烯泡沫块、发泡聚氨酯等材料，有机材料的隔热效果较优异但不环保，传统无机材料虽然无毒无害但保温性能较一般。采用二氧化硅气凝胶取代传统材料作为冷藏集装箱等低温系统的隔热材料，可以兼顾环保和保温性能的需求[97−98]。德国赫彻斯特公司和美国卡伯特公司在SiO2气凝胶复合材料方面开展了大量研究工作，其研发的产品已经成功应用到了冷藏箱隔热系统中[99]。广州大学罗嘉联等[100]通过将玻璃纤维和水洗棉与二氧化硅气凝胶复合得到了冷藏柜的保冷板，并比较了气凝胶复合保冷板与传统聚氨酯发泡板的热导率、力学性能和疏水性能，发现气凝胶复合保冷板的保冷效果比传统聚氨酯发泡板提高了36%，在冷藏箱领域展现了较好的应用潜力。

3.7 新能源汽车

随着能源结构改革，纯电动汽车、太阳能汽车、混合动力汽车等新能源汽车进入商业化的阶段，锂离子电池作为新能源汽车最主要的储能部件发展迅猛，但锂离子电池热安全问题不容忽视。高温、过充、内短路以及机械破坏都可能引发新能源汽车内锂离子电池组发生热失控，引发火灾甚至爆炸，严重威胁驾乘人员的生命安全。2020 年5 月，由工信部发布的《电动汽车用动力蓄电池安全要求》明确提出电池单体发生热失控后，电池系统在5min内不起火不爆炸，为乘员安全逃生提供时间。电池厂或者主机厂一般在电芯之间以及模组、PACK的上盖采用防火保温材料，从而延缓或者阻止电池组热扩散以及火焰的蔓延，给乘客留足时间撤离事故现场。

目前常用的保温隔热材料有玻璃纤维棉、硅酸铝棉、复合隔热板等，然而以上保温隔热材料热导率高、厚度较大占用空间、防火防水性能一般、保温性能衰减快，因此亟需寻找一种能耐高温、保温性能好、寿命长的防火保温隔热材料。二氧化硅气凝胶在保温隔热性能方面具有显著优势，相较于传统保温材料，只需1/5～1/3的厚度即可达到相同的保温效果，为动力电池节省更多空间（图12）[101]，目前已在宁德时代、国轩高科新能源等大型锂离子电池生产企业测试和局部试应用。二氧化硅气凝胶保温隔热复合材料在新能源汽车方面的应用还需要关注以下问题：①现有二氧化硅气凝胶耐热温度≤550℃，但锂离子电池热失控峰值温度超过600℃，因此发展耐热温度更高的气凝胶材料是研究趋势之一；
②采用超临界干燥工艺制备气凝胶复合材料，成本高，因此发展成本相对较低的常压干燥工艺是未来规模化应用的重要方向；
③如何平衡气凝胶保温隔热和高负荷下电池放热的矛盾是需要研究的热点难题。

图12 气凝胶毡在锂离子电池组充当防火隔热层[101]

本文对近年来二氧化硅气凝胶在保温隔热领域应用的研究进展进行了综述。二氧化硅气凝胶能有效降低航空航天、工业生产、建筑家居等生产生活等活动的能量损耗，提升设备设施的使用寿命和热安全性，在保温隔热领域有非常良好的应用价值。在未来，二氧化硅气凝胶在保温隔热领域的应用可重点关注以下几个方面。

（1）二氧化硅气凝胶使用温度有限，无法适应日益增长的高温区隔热需求，研究提升气凝胶高温下的热稳定性是重要内容。

（2）二氧化硅气凝胶主要以复合毡垫形式应用，存在“掉粉”问题，因此需要探究利用表面改性、纤维排列优化等方法增强气凝胶颗粒与纤维的结合力。

（3）气凝胶粉体在保温涂料、复合板材等体系中掺杂时，其容易出现相分层并导致保温隔热材料性能下降，研究提高气凝胶粉体在复材中的分散均匀性和稳定性是其应用中需要解决的关键问题之一。

（4）现有二氧化硅气凝胶采用成本较高的超临界干燥工艺，限制了其大规模推广应用，研究利用常压干燥工艺等低成本制备方法来降低其生产成本是未来的发展趋势之一。

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