二氧化硅氣凝膠的研究現狀及應用探微

摘? 要：二氧化硅氣凝膠因為其特殊的結構賦予了該物質隔熱性能強、整體密度小、傳聲速率低、物質表面積大等獨特的性能，所以在我國的工業生產領域二氧化硅氣凝膠有著廣泛的應用前景。本文中主要研究了二氧化硅氣凝膠的研究現狀及應用微探，文中首先分析了二氧化硅氣凝膠的定義及結構特性，然后對現階段二氧化硅氣凝膠的研究現狀進行分析。最后結合實際情況，對二氧化硅氣凝膠在市場上的應用前景進行闡述，來為我國二氧化硅氣凝膠的應用提供一些參考意見。

關鍵詞：二氧化碳氣凝膠，結構特性，研究現狀，應用探微

引言

目前隨著我國社會經濟的不斷發展，我國工業化生產的規模和資源開發的力度也在隨之增強，而這就給我國帶來能源緊缺和資源利用率下降等問題，這就嚴重的影響我國當前社會可持續發展目標的進程。因此在現階段的工業生產中節能減排降耗是生產中的重要目標之一，也是為保持社會可持續發展的重要基礎。

一、二氧化硅氣凝膠的定義及結構特性

（1）氣凝膠的基本定義

氣凝膠主要是指工業生產中一種多孔網狀結構的固體凝膠材料，該材料與傳統的材料不同，材料在使用過程中由于內部充滿著空氣，所以其密度較低，并具有較好的隔熱和隔聲功能。1931 年，Kistler 以水玻璃制得了二氧化硅濕凝膠，后經溶劑替換和乙醇超臨界干燥的方法，從而獲得了二氧化硅氣凝膠[1]。這種呈半透明藍色狀態的氣凝膠，由于質量超輕所以也被相關科研人員稱之為“固態的煙”。

（2）二氧化硅氣凝膠的結構特點及性質

氣凝膠是一種具有超高孔隙率的三維納米多孔材料。該物質的分子模式主要是由一群直徑在3～8 nm左右的初級粒子通過互相團簇構成基本骨架。而由初級粒子所構成的基本骨架具有極少的熱量傳導路徑，同時由于二氧化硅凝膠的分子結構是由三維網狀結構組成因此在相對程度上便延長了熱量的傳播路徑，從而使分子的熱阻值增大。在有關研究中我們發現，二氧化硅氣凝膠的表面密度大約在0.03～0.35g/cm?，二氧化硅氣凝膠的比表面積在600～1000m?/g，二氧化硅氣凝膠的平均孔徑在20 nm左右，二氧化硅氣凝膠的平均孔隙率在98%，二氧化硅氣凝膠的導熱系數在0.013-0.021W/m.k，由于二氧化硅氣凝膠其獨特的物理參數和三維結構，從而賦予了氣凝膠具有許多固態物質所不具有的物理性能，例如低折射率、低熱導率、低介電常數、低聲阻抗等[2-3]。

二、現階段SiO2的研究現狀

目前我國工業生產中，制備二氧化硅氣凝膠的硅源主要是水玻璃和硅醇鹽。現階段生產二氧化硅氣凝膠的主要方式是酸堿兩步法，即在酸性條件下將硅源進行水解，水解到達一定程度后再利用堿液調節pH值至溶液為堿性。經過一段時間后形成凝膠，最終經過老化后通過超臨界干燥后形成氣凝膠。其中原理為硅源水解后在中溶液中形成均勻分散的納米級球形二氧化硅顆粒硅膠溶液，這些硅膠水溶液中的二氧化硅會呈現硅氧四面體無序的排列，同時這些懸浮的二氧化硅內部粒子結構都是由硅氧硅鍵組合而成，當二氧化硅電解質溶液受到溫度和濃度或溶液的pH值影響時溶液中的這些硅溶膠可以進行自由的聚合，形成三維網狀結構，而超臨界干燥可以很好的保持這種三維網狀結構。

其中在制備二氧化硅氣凝膠的過程中，通過水玻璃進行制備就可以獲得較為廉價的基礎物質材料，但是在實際的應用過程中如果使用大量的廉價水玻璃進行制備二氧化硅氣凝膠，就會導致二氧化硅氣凝膠在制備后存在著氯化鈉等雜質，在一定的程度上影響二氧化硅的自身純度，這就需要工作人員在制備二氧化硅氣凝膠的過程中，通過相應的溶劑來置換和洗滌生成物質，同時還需要適當的增加相應的反應時間，這樣才可以制備出高濃度的二氧化硅氣凝膠。

因此現階段在制備二氧化硅氣凝膠的過程中，最好通過硅醇鹽進行制備。硅醇鹽是一種含有大量硅源的物質，這種物質具有良好的隔熱性能和與二氧化硅氣凝膠大致相仿的外貌，在實驗室制備過程中為了制備優異性能的二氧化硅氣凝膠通常使用TMOS作為硅源，甲醇作為溶劑不需要經過水洗也可以提高產品的純度和濃度。而在工業中生產綜合考慮成本與安全，通常采用正硅酸乙酯作為硅源，乙醇作為溶劑。同時降低二氧化硅氣凝膠制備過程中的制作成本和制作程序。除此之外，制備人員還可以通過PEDS的方式制定二氧化硅氣凝膠，通過這種方式制備二氧化硅氣凝膠雖然具備程序較多，但是可以獲得較低密度、較大面積的二氧化硅顆粒網狀結構。

三、二氧化硅氣凝膠在市場中的應用前景

（1）二氧化硅氣凝膠具有保溫隔熱功能

由于二氧化硅氣凝膠具備低于0.02W/（m.k）的超低導熱率，因此該物質具有較強的保溫隔熱功能，甚至這種物質在應用過程中自身的導熱率低于外界的空氣。所以目前二氧化硅氣凝膠是我國工業應用中最好的隔熱型材料，這種材料已經廣泛地應用于國防、科研等各個方面，甚至在我國的航海和航空航天領域都使用二氧化硅氣凝膠來作為管道的隔熱、冰箱的隔熱、宇航服的保暖、飛機玻璃的填充物等[4]。

（2）二氧化硅氣凝膠可用作聲音延遲劑

由于二氧化硅氣凝膠的自身結構是呈現多孔的納米結構，而這些多孔的納米結構可以在一定的程度上延遲聲音的傳播速率，同時聲音在經過這些多孔結構時還會出現較大能量的音量損失，這樣便可以在一定的程度上降低聲音的振幅和聲速。在有關研究中發現，二氧化硅氣凝膠對聲音的阻抗傳播范圍在（103～107kg/（m?.s）），同時這種二氧化硅氣凝膠還具有較強的耐腐蝕、抗氧化和保溫的功能。

（3）二氧化硅氣凝膠可應用于集成電路

二氧化硅氣凝膠由于其具備較低的介電常數，所以可以在集成電路中充當襯底材料。二氧化硅氣凝膠在集成電路中的應用過程中，由于具備接近硅材料的膨脹系數，所以熱穩定性極佳，在集成電路的應用過程中并可以達到降低耗能、防干擾、電路互聯延遲等一系列的功能。甚至部分科研人員還發現通過二氧化硅氣凝膠在集成電路中的應用。

四、結束語

通過在工業生產中應用二氧化碳氣凝膠便可以較好的解決當下能源緊缺的相應問題，從而保證我國經濟的健康可持續發展。

參考文獻

[1]? KISTLER S S. Coherent Expanded-Aerogels[J]. J phys chem，1931，36（1）：52–64.

[2]? LIU C H，U X J，HOU G L，et al. study on modification of SiO2 aerogel and application on the aerospace field [J] winged missiles，2006（10），61

[3]? 高秀華，等.硅氣凝膠的研究進展 [J].長春理工大學學報：自然科學版，2007，30（1）：86

[4]? 孟繼智，李娟娟等SiO2氣凝膠干燥技術的研究進展.[J]化工科技，2016，24（2）：73～77

作者簡介：李亞茹（1990.01-），女，河北省任丘市，碩士研究生，中國地質大學（武漢）研究方向：催化材料（TiO2、鹵氧鉍）。