二氧化硅气凝胶的研究现状及应用探微获奖科研报告

二氧化硅气凝胶的研究现状及应用探微获奖科研报告关键词：二氧化碳气凝胶，结构特性，研究现状，应用探微

引言

目前随着我国社会经济的不断发展，我国工业化生产的规模和资源开发的力度也在随之增强，而这就给我国带来能源紧缺和资源利用率下降等问题，这就严重的影响我国当前社会可持续发展目标的进程。因此在现阶段的工业生产中节能减排降耗是生产中的重要目标之一，也是为保持社会可持续发展的重要基础。

一、二氧化硅气凝胶的定义及结构特性

（1）气凝胶的基本定义

气凝胶主要是指工业生产中一种多孔网状结构的固体凝胶材料，该材料与传统的材料不同，材料在使用过程中由于内部充满着空气，所以其密度较低，并具有较好的隔热和隔声功能。1931年，Kistler以水玻璃制得了二氧化硅湿凝胶，后经溶剂替换和乙醇超临界干燥的方法，从而获得了二氧化硅气凝胶[1]。这种呈半透明蓝色状态的气凝胶，由于质量超轻所以也被相关科研人员称之为“固态的烟”。

（2）二氧化硅气凝胶的结构特点及性质

气凝胶是一种具有超高孔隙率的三维纳米多孔材料。该物质的分子模式主要是由一群直径在3～8nm左右的初级粒子通过互相团簇构成基本骨架。而由初级粒子所构成的基本骨架具有极少的热量传导路径，同时由于二氧化硅凝胶的分子结构是由三维网状结构组成因此在相对程度上便延长了热量的传播路径，从而使分子的热阻值增大。在有关研究中我们发现，二氧化硅气凝胶的表面密度大约在0.03～0.35g/cm?，二氧化硅气凝胶的比表面积在600～1000m?/g，二氧化硅气凝胶的平均孔径在20nm左右，二氧化硅气凝胶的平均孔隙率在98%，二氧化硅气凝胶的导热系数在0.013-0.021W/m.k，由于二氧化硅气凝胶其独特的物理参数和三维结构，从而赋予了气凝胶具有许多固态物质所不具有的物理性能，例如低折射率、低热导率、低介电常数、低声阻抗等[2-3]。

二、现阶段SiO2的研究现状

目前我国工业生产中，制备二氧化硅气凝胶的硅源主要是水玻璃和硅醇盐。现阶段生产二氧化硅气凝胶的主要方式是酸碱两步法，即在酸性条件下将硅源进行水解，水解到达一定程度后再利用碱液调节pH值至溶液为碱性。经过一段时间后形成凝胶，最终经过老化后通过超临界干燥后形成气凝胶。其中原理为硅源水解后在中溶液中形成均匀分散的纳米级球形二氧化硅颗粒硅胶溶液，这些硅胶水溶液中的二氧化硅会呈现硅氧四面体无序的排列，同时这些悬浮的二氧化硅内部粒子结构都是由硅氧硅键组合而成，当二氧化硅电解质溶液受到温度和浓度或溶液的pH值影响时溶液中的这些硅溶胶可以进行自由的聚合，形成三维网状结构，而超临界干燥可以很好的保持这种三维网状结构。

其中在制备二氧化硅气凝胶的过程中，通过水玻璃进行制备就可以获得较为廉价的基础物质材料，但是在实际的应用过程中如果使用大量的廉价水玻璃进行制备二氧化硅气凝胶，就会导致二氧化硅气凝胶在制备后存在着氯化钠等杂质，在一定的程度上影响二氧化硅的自身纯度，这就需要工作人员在制备二氧化硅气凝胶的过程中，通过相应的溶剂来置换和洗涤生成物质，同时还需要适当的增加相应的反应时间，这样才可以制备出高浓度的二氧化硅气凝胶。

因此现阶段在制备二氧化硅气凝胶的过程中，最好通过硅醇盐进行制备。硅醇盐是一种含有大量硅源的物质，这种物质具有良好的隔热性能和与二氧化硅气凝胶大致相仿的外貌，在实验室制备过程中为了制备优异性能的二氧化硅气凝胶通常使用TMOS作为硅源，甲醇作为溶剂不需要经过水洗也可以提高产品的纯度和浓度。而在工业中生产综合考虑成本与安全，通常采用正硅酸乙酯作为硅源，乙醇作为溶剂。同时降低二氧化硅气凝胶制备过程中的制作成本和制作程序。除此之外，制备人员还可以通过PEDS的方式制定二氧化硅气凝胶，通过这种方式制备二氧化硅气凝胶虽然具备程序较多，但是可以获得较低密度、较大面积的二氧化硅颗粒网状结构。

三、二氧化硅气凝胶在市场中的应用前景

（1）二氧化硅气凝胶具有保温隔热功能

由于二氧化硅气凝胶具备低于0.02W/（m.k）的超低导热率，因此该物质具有较强的保温隔热功能，甚至这种物质在应用过程中自身的导热率低于外界的空气。所以目前二氧化硅气凝胶是我国工业应用中最好的隔热型材料，这种材料已经广泛地应用于国防、科研等各个方面，甚至在我国的航海和航空航天领域都使用二氧化硅气凝胶来作为管道的隔热、冰箱的隔热、宇航服的保暖、飞机玻璃的填充物等[4]。

（2）二氧化硅气凝胶可用作声音延迟剂

由于二氧化硅气凝胶的自身结构是呈现多孔的纳米结构，而这些多孔的纳米结构可以在一定的程度上延迟声音的传播速率，同时声音在经过这些多孔结构时还会出现较大能量的音量损失，这样便可以在一定的程度上降低声音的振幅和声速。在有关研究中发现，二氧化硅气凝胶对声音的阻抗传播范围在（103～107kg/（m?.s）），同时这种二氧化硅气凝胶还具有较强的耐腐蚀、抗氧化和保温的功能。

（3）二氧化硅气凝胶可应用于集成电路

二氧化硅气凝胶由于其具备较低的介电常数，所以可以在集成电路中充当衬底材料。二氧化硅气凝胶在集成电路中的应用过程中，由于具备接近硅材料的膨胀系数，所以热稳定性极佳，在集成电路的应用过程中并可以达到降低耗能、防干扰、电路互