第2章　溶胶-凝胶法制备硅基气凝胶材料

2.1　二氧化硅气凝胶

二氧化硅气凝胶是一种轻质、多孔、具有三维网状二氧化硅粒子的材料，可以在临界条件下通过萃取液相二氧化硅凝胶得到。由于其极低的热导率［0.005～0.1W/（m·K）］、低密度（0.003～5g/cm3）、高孔隙率（80％～99.8％）和高比表面积（500～1200m2/g）等出色性能，二氧化硅气凝胶在航空航天保温系统、生态、环境清洁和保护、储热装置、透明窗口系统和颜料增稠剂等方面有很好的潜在应用。然而，纯二氧化硅气凝胶在相对较低压力下就容易破碎和变形，这限制了它们的应用。更多较高强度和刚度的耐用气凝胶，可以通过正确选择硅烷前驱体，混合不同的有机聚合物或者不同的纤维网络，构建二氧化硅无机网络来获得。近期的研究表明，在二氧化硅气凝胶表面羟基上添加柔性有机聚合物，是一种有效地增强二氧化硅气凝胶力学性能的方法。如果适当的官能团被引入二氧化硅气凝胶表面，然后与适当的有机单体共聚，就会很容易得到更多功能聚合物。力学性能增强后的二氧化硅气凝胶，由于其疏松的结构，成为一种应用于不同工业领域的绝热材料。

由于其特殊性能，最近几年人们更多地关注二氧化硅气凝胶在一些技术领域的应用，包括粒子物理实验的切伦科夫散热器和天窗、窗户保温材料。二氧化硅气凝胶也被用来制作储热装置，用于窗户除霜和声屏障材料。由于大的内部表面积和活跃的表面化学能，一些气凝胶也可以作为电池电极、催化剂载体、氧湿度传感器、环境清洁吸附剂。较低的热导率和极低的密度，使二氧化硅气凝胶成为航空航天领域广受关注的材料。一个应用例子就是，为了保护“火星漫游者”电子单元而在其电池组周围设置的绝缘体。在未来去火星的载人飞行任务中，可以考虑那些性能稳定、柔韧的气凝胶作舱外宇航服的保温层。气凝胶复合材料是仅有的符合要求的制作舱外保温服的材料。在未来进行的火星探测太空任务中，稳定的气凝胶复合材料也可以作为气动减速器绝热材料。

气凝胶在太空领域的应用价值，不仅仅局限于保温方面。事实上，二氧化硅气凝胶也可以用来收集悬浮微粒以保护太空望远镜或者设计作为坦克挡板。然而，二氧化硅气凝胶极其脆弱的力学性能和天然吸湿性往往会限制它的应用。因此，为了扩大气凝胶的应用范围，保证其具备出色的性能，尤其是稳定的力学性能是必须的。

增强二氧化硅气凝胶力学性能的方法有在二氧化硅凝胶骨架中加入柔性二氧化硅前驱体增强其结构，硅骨架和聚合物形成表面交联的赋形涂层；还有在原始溶胶状态下的二氧化硅气凝胶中加入碳纳米纤维。原则上为了提高二氧化硅气凝胶的柔韧性或者弹性恢复力，需要引入有机交联基团，在硅骨架的结构或者交联的凝胶骨架中，通过表面的硅羟基与单体/聚合物反应。

因为二氧化硅气凝胶是由一个个Si—O—Si键组成，二氧化硅气凝胶和聚合物的混合导致二氧化硅粒子之间的连接点增多，从而在这些粒子之间形成较强的C—C共价键。因此，这种方法可以使强化后的二氧化硅气凝胶比纯二氧化硅气凝胶强度增加。与有机聚合物复合的目的是合成一种具有良好抗压强度，且能够满足零件设计要求和吸收冲击压缩能量的气凝胶。非交联状态下的气凝胶通过改变二氧化硅骨架的化学性质可以显著增强其弹性和柔韧性。例如，TMOS/BTMSH衍生气凝胶密度低于0.06g/cm3，这是弯曲50°而不会被破坏的材料。此外，克莱默等论证了在TEOS衍生气凝胶中加入超过20％的聚二甲基硅氧烷，会使其橡胶压变恢复力提升30％。Shea和Loy利用桥联聚倍半硅氧烷研制出了混合气凝胶，通过非水溶性的C—Si键，将有机桥联基团组成的砌块连接到两个或两个以上的三烷氧基甲硅烷基团上。所有这些方法被证明是不同的调整力学性能的方式。弗里克和皮克拉等在权衡力学性能（如杨氏模量或最大强度）和二氧化硅气凝胶的密度时发现，增强二氧化硅气凝胶力学性能最直接的方法会导致其密度的增加，从而使其热导率增加。由于需要增加二氧化硅气凝胶中连接点的总数，导致了用于生产凝胶基材料总量的增加。最近的研究成果表明，气凝胶的密度和热导率在仅仅增加一倍时，其最大抗压强度大约提高了三个数量级。因此，本章的目的是提供一些通用的方法，概述在最低限度增加二氧化硅气凝胶密度和热导率时，赋予其较高强度或刚度。