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1前言
在建筑材料领域，二氧化硅（SiO2）气凝胶材料具有质量轻、密度低、比表面积高、热导率低和透光性高等特性，使得其成为一种新型纳米轻质、多功能、节能环保的材料。目前，二氧化硅气凝胶的应用形式主要有气凝胶节能玻璃、气凝胶涂料、气凝胶毡垫、气凝胶板材、气凝胶混凝土和砂浆以及屋顶太阳能集热器等。
2气凝胶特性
SiO2气凝胶为特殊三维网络结构，孔径小于空气分子的平均自由程，能阻隔热传导、热对流、热辐射，导热系数低至0.017~0.040W/（m·K），此外还具有低密度（0.1~0.5g/cm3）、高比表面积、高吸附性、优良疏水性（水接触角大于145°）、与基材紧密贴合、易与其它材料复合、能有效消除CUI（保温层下腐蚀）、符合RoHS标准限值等优点，成为当前热门的功能填料。
SiO2气凝胶 图源：中航科学研究院（广东）有限公司
3气凝胶制备
（1）制备流程
二氧化硅气凝胶的制备过程主要包括：水解、缩聚、老化、干燥。
二氧化硅气凝胶合成示意图
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。
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。根据使用的分散介质分类，凝胶可以分为水凝胶和醇凝胶。
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。
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。
（2）干燥工艺
二氧化硅气凝胶制备过程中最为关键的环节是干燥环节，要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。
目前常用干燥技术有，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。
SiO2气凝胶的低成本常压干燥制备技术流程
（3）力学性能补强
天然SiO2气凝胶的主要缺点是其固有的脆性，这大大限制了它的实际应用。因此，补强天然SiO2气凝胶的力学性能也十分必要。例如，热处理法、纤维复合增强法、高分子聚合物复合增强法等。
纤维复合增强气凝胶 微观结构
4建材领域应用
（1）节能玻璃
SiO2气凝胶制成的玻璃同时具有高透光性和低导热系数两种特性，可广泛用作建筑玻璃。可减少室内外热量对流，起到良好的保温隔热作用，又不影响室内采光；同时具有调色和吸声的作用，应用优势显著。
目前，SiO2气凝胶在建筑玻璃中有两种常用形式：一是双层玻璃的夹层中，二是作为玻璃的外镀膜。
节能玻璃
（2）隔热涂层
SiO2气凝胶隔热保温材料是一类具有超低导热系数的新型纳米材料，具有很高的孔隙率，其空间网络结构中的孔隙能够有效地阻隔固体热传导，并延长空气热对流路径，其室温下的导热系数可低至0.013~0.016W/（m·K），低于空气的导热系数0.025W/（m·K）。将具有超低导热系数的SiO2气凝胶用于涂料中能显著提高涂料的隔热保温效果。
涂上气凝胶涂料的化工储罐
此外，因气凝胶自身结构是多孔结构，可以达到的不燃性为A级。若将其应用于建筑钢材的表面上，作为复合材料覆盖钢结构，可以为钢结构提供更耐火的性能，并且不会产生有毒物质，属于很好的耐火材料。
涂层型硅基气凝胶绝热复合材料的微结构示意图
SiO2气凝胶隔热涂料制备流程图
（3）混凝土和砂浆
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。
S.Fickler等开发了复合高性能SiO2气凝胶混凝土。通过调整SiO2气凝胶的含量占比可以获得不同强度不同导热系数的材料，如气凝胶在水泥基体中体积占比达60%时，复合SiO2气凝胶混凝土材料的密度为860kg·m3，其抗压强度达到10MPa，且得到了最佳的导热系数0.17W·（m·K）-1。
气凝胶墙板材料
（4）隔热胶毡
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。对比传统保温材料，SiO2气凝胶绝热毡导热系数仅为传统保温材料的1/3～1/5，其保温隔热能力是传统材料的2～8倍。
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。
纳米SiO2气凝胶毡
结语
目前，二氧化硅气凝胶在保温隔热建材方面的应用产品种类偏少，产业化技术亟待突破。以技术发展需求为例，提高气凝胶材料在高温隔热应用中的稳定性，打破高温“上限”，扩展应用场景；改进气凝胶表面改性技术，提高材料力学性能；开发低成本常压干燥工艺等。
参考文献
李斌斌，等：SiO2气凝胶材料在建筑墙体保温中的应用研究建华建材(中国)有限公司
潘月磊，等：二氧化硅气凝胶及其在保温隔热领域应用进展，中国科学技术大学
张莉，等：新型复合建筑材料 SiO2气凝胶在土木工程应用探析，陕西能源职业技术学院
王燕，等：硅基气凝胶保温隔热材料与建筑节能技术的融合分析，西安思源学院城市建设学院
（中国粉体网编辑整理/昧光）
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