熱防護用氣凝膠材料的研究進展

宮學斌，劉元軍,2,3，趙曉明,2,3

(1.天津工業大學 紡織科學與工程學院，天津 300387；2.天津工業大學 天津市先進紡織復合材料重點實驗室，天津 300387；3.天津工業大學 天津市先進纖維與儲能技術重點實驗室，天津 300387)

氣凝膠是一種具有三維網狀結構的材料，具有孔隙率高，比表面積大，導熱率低等特點，是目前世界上密度最小的固體材料[1]。因其優異的隔熱性能，近年來氣凝膠材料被廣泛應用于航空航天，消防安全，社會生活等領域。目前對氣凝膠熱防護性能的研究主要集中在SiO2氣凝膠、酚醛氣凝膠、碳氣凝膠、金屬氧化物氣凝膠、石墨烯氣凝膠等。

隨著世界各國在高速飛行器上的研究不斷取得突破，飛行器在工作過程中會保持高馬赫的速度運行，在飛行器的表面會出現嚴重的氣動加熱，為保證飛行器的正常運行以及人員的生命安全，熱防護系統的有效性至關重要，考慮到飛行器對于材料的高要求，需要具備低熱導率，密度低，易加工，熱穩定性強等特性，輕質隔熱的氣凝膠材料充分滿足條件，但氣凝膠材料的力學性能較差[2]，不可作為外結構單獨使用，這是目前研究中需要攻克的一大難點。

在社會的生產生活中，火災、爆炸等各種突發事故時有發生，為了在復雜的火場環境中保障消防員的生命安全，對具有高效熱防護性能防護服的研究引起了越來越多的關注。傳統的高溫防護服通常由4層織物組成，包括阻燃層、防水透氣層、隔熱層、舒適層，這就造成了防護服過于厚重且散熱較差，長時間穿戴造成消防員的體力消耗巨大、呼吸困難、出現熱應激反應等，這嚴重影響了消防員在火場中執行任務的效率甚至威脅到了他們的生命安全。開發同時兼具質量輕，熱防護性好，舒適性強的防護服十分關鍵。氣凝膠具有熱導率低、質量輕等特點，非常適合應用于新型防護服的研發中。

因此，本文通過對氣凝膠的結構性能、隔熱機制、研究現狀等進行了詳細論述，以期對氣凝膠在防護等領域的應用提供指導。

1 氣凝膠

1.1 氣凝膠概述

氣凝膠，是一種用氣體填充納米級縫隙和網狀結構的固態材料。氣凝膠由膠體粒子相互聚集而成，是一種孔隙尺寸極小的三維結構納米材料[3]。最早由Kistler在1930年首次制備了具有高孔隙率的無機二氧化硅氣凝膠[4]。氣凝膠也被稱為冷凍煙霧，固體煙霧或固體空氣，其特征是固體密度低，光學折射率低，導熱率低，表面高面積小，介電常數低。它包含超過96%的空氣，剩余的4%是細膩的二氧化硅基質，因此，它是有史以來密度最低的固體之一。氣凝膠的典型結構如圖1[4]所示。

圖1 氣凝膠中的納米級顆粒Fig.1 Nanoparticles in aerogels

氣凝膠根據不同的分類方式可以分為很多種。根據外觀可分為塊狀氣凝膠、粉末狀氣凝膠、薄膜/毛氈氣凝膠。根據制備方法可分為氣凝膠、干凝膠、冷凍凝膠和其他氣凝膠相關材料等。根據微觀結構可分為微孔氣凝膠、中孔氣凝膠以及混合多孔氣凝膠。根據組成成分可以分為有機氣凝膠、無機氣凝膠以及有機/無機雜化氣凝膠[4]。目前用于熱防護的氣凝膠材料有SiO2氣凝膠，酚醛氣凝膠，碳氣凝膠，金屬氧化物氣凝膠，石墨烯氣凝膠等[5]。

1.2 氣凝膠的結構特點及性能

氣凝膠是一種具有納米級孔隙的網狀結構固體材料，這些孔隙的大小在1～100 nm之間，在材料的組成中氣體占了96%，孔隙率最高可達99.8%，密度最小為0.003 g/cm3，僅有空氣的2.75倍，且熱導系數極低，只有0.013 W/(m·K),僅為靜止空氣的一半，光透過率極高可達99%[6]。

氣凝膠復合材料在光學、熱學、電學、聲學等方面都具有很好的表現。在氣凝膠的熱學特性的應用中，氣凝膠材料的納米級孔隙結構可以有效抑制固態和氣態的熱傳導，是一種非常出色的隔熱材料。非透明的氣凝膠合成物的熱導率可以低至9～12 mW/(m·K),相較于其他高性能隔熱材料具有更好的隔熱性能[7]。

1.3 氣凝膠的制備

氣凝膠是通過“溶膠-凝膠法”制得的，以SiO2氣凝膠為例，在制備過程中，分散在水中的烷氧基硅前體會發生水解和縮合，水解速率由催化劑來控制。烷氧基硅的同時縮合導致形成凝膠網絡。該混合物在反應開始時為液體，并且變得越來越粘；隨著反應的進行，溶液失去流動性，整個反應混合物變成凝膠，該凝膠由填充了溶劑的SiO2三維網格組成[4]。在特殊控制的干燥過程中，溶劑從凝膠體中抽出，而不會讓凝膠塌陷，從而使完整的SiO2網格充滿了空氣而不是水，形成的產物就是氣凝膠。

1.4 氣凝膠的隔熱機制

氣凝膠具有納米級孔隙的三維網狀結構，擁有超低的導熱系數和密度，孔隙率非常高，所以具有出色的隔熱性能。氣凝膠屬于多孔隔熱材料，常規多孔隔熱材料的熱量傳遞方式主要有氣相傳熱、固相傳熱和輻射傳熱3種。但由于氣凝膠的獨特結構，這3種方式不完全適用于氣凝膠[8]。

氣相傳熱指的是在材料內部的孔隙中氣體分子相互碰撞而產生的熱量。氣體分子非常活躍，總是在進行一種無序的熱碰撞，在發生碰撞的過程中，熱量較高的分子向熱量較低的分子傳遞熱量。但是氣凝膠材料內部的空隙大小只有納米級別大小，小于空氣中分子在常溫常壓下進行運動的平均自由程，這也就使得氣凝膠空隙內的氣體分子發生碰撞變得困難，僅可以與固體骨架發生碰撞，但這種碰撞并不能進行熱量交換，所以氣凝膠的氣相傳熱非常小[9]。

固相傳熱指的是物質內部粒子發生熱運動而產生的熱量傳遞。相較于一般隔熱材料，氣凝膠具有更低的體積分數，并且骨架顆粒的直徑很小，熱傳導走過的路徑長，就會發生一種“無限長路效應”，從而顆粒與顆粒的接觸面積很小，氣凝膠通過固體基質進行熱傳遞的效果大打折扣，所以氣凝膠的固相傳熱很低。

熱輻射現象可以發生在所有零度以上的物質上，輻射傳熱就是通過電磁輻射使物體之間相互發生和吸收熱輻射的過程，這種傳熱方式不需要進行實質性的接觸。物體的溫度越高，所具備的輻射能就越高。因為氣凝膠具有納米級別的固體骨架，所以熱量在進行輻射時會被氣凝膠內部的細小孔隙反射出去，大大降低了輻射傳熱的效果[10-12]。

綜上所述，正是因為氣凝膠的特殊納米級三維網格結構，使得其在進行氣相傳熱、固相傳熱和輻射傳熱時的效率很低，傳熱量非常小，從而氣凝膠的熱導率很低，具有良好的隔熱效果。

2 氣凝膠熱防護性能的應用

氣凝膠具有獨特的三維孔隙結構，使其具有極低的導熱系數，因此可以被廣泛應用于隔熱材料，例如航天航空飛行器，高溫防護服，建筑隔熱，蓄冷蓄熱設備，太陽能窗等[13]。其中研究最為熱門的是高速飛行器以及高溫防護服。

2.1 高速飛行器熱防護材料

隨著科技水平的不斷進步，飛行器的飛行速度不斷提高，飛行器表面往往會處于較為惡劣的氣動熱環境[5]，為確保飛行器正常飛行以及飛行器內人員的生命安全，研制出輕質隔熱且具有可承載能力的熱防護系統至關重要。

氣凝膠材料是一種高孔隙率、低熱導率且密度非常低的納米多孔材料，擁有非常出色的隔熱性能，可以極大地提升組合式熱防護結構的效率[14-15]。但是氣凝膠的力學性能較差，無法單獨作為外防護結構。目前高性能氣凝膠受到越來越多的關注，可以與各種纖維進行復合，在保證其隔熱性能和低密度的前提下，提高其力學性能。

張璇等[16]采用浸漬技術開發了一種纖維增強納米多孔輕質耐燒蝕材料，這種材料具有非常強的耐高溫能力，可以承受超過3 000 ℃的熱流沖擊，在受到超過3 MW/m2的風洞考核后，表面溫度達到 3 300 ℃，背面溫度低于150 ℃,熱導率低于 0.2 W/(m·K),并且具有一定的力學性能，壓縮強度不低于2.5 MPa，密度低質量輕，密度僅為 0.32 g/cm3。但存在孔洞、夾雜、密度不均的缺陷需要去完善。

李健等[17]將SiO2溶膠與莫來石針刺氈采用注膠工藝進行復合，并使用超臨界干燥工藝得到增強SiO2氣凝膠作為隔熱層，這種材料熱導率低至0.022 W/(m·K)，具有相當優異的隔熱性能，但耐熱性有限，需要搭配耐高溫面板層材料一同使用。當采用8 mm厚的Si—O—C陶瓷相產物作為面板層,并且隔熱層厚度為12 mm時，使用最高溫度為 1 600 ℃ 的石英燈進行持續600 s的加熱后，材料背面溫度僅有118 ℃，隔熱性能表現優異。

夏雨等[18]研制出一種新型一體化樹脂基熱防護結構，外防熱層采用聚酰亞胺復合材料，隔熱層采用SiO2氣凝膠，承載層采用環氧樹脂復合材料，結構如圖2[18]所示。同時，因氣凝膠材料表面易掉粉，表面結合力比一般材料差，所以夏雨等[18]研制出一種新型耐高溫GBK膠作為氣凝膠材料與內外層的黏結劑。在結構中采用13 mm厚度的氣凝膠隔熱層，對這種熱防護結構進行持續1 500 s的 500 ℃ 高溫加熱后，背面溫度僅108 ℃，表現出不錯的隔熱性能，滿足當今飛行器隔熱承載一體化的要求。

圖2 樹脂基熱防護結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of resin-based thermal protection structure

各種氣凝膠隔熱復合材料的成功研發對飛行器熱防護系統做出巨大貢獻，隨著飛行速度的提高以及需求的多樣化，熱防護材料的防護性能和結構設計還需要不斷進步，未來研究方向要不斷向輕質，高效，穩定性強等方面發展[19]。

2.2 高溫防護服

傳統防護服通常采用多層織物組合來提高熱防護性能，主要包含阻燃層、防水透氣層、隔熱層以及舒適層4層織物。多層織物的重疊造成傳統防護服過于厚重，對人體的散熱以及行動能力造成了一定影響，使人更容易產生生理熱應激和熱負荷等反應，這對于在火場中執行任務的人員的生命安全有巨大的威脅[20]。在多層織物中對防護服熱防護性能、透氣性、隔熱性影響最大的是隔熱層，目前國內外防護服隔熱層采用的材料有芳綸類纖維、阻燃棉纖維、三聚酯酰胺纖維等[21]。對于新型防護服的要求是提高隔熱性能，減輕負重，降低熱應力，提升熱防護性能，增加舒適性以及透氣性[22]。

相較于被用于隔熱層的其他材料，多孔結構的氣凝膠擁有極低的熱導率，從而適合作為隔熱材料使用，但氣凝膠材料力學性能較差，在高溫下其多孔結構會發生塌陷，而且紅外線透射性強，這些都會導致氣凝膠材料的熱導率上升，影響其隔熱性能，針對這些問題，氣凝膠材料得到更進一步研究[23-24]。

任洪雨等[25]在非織造隔熱層的上下表面均勻涂抹氣凝膠乳液，相互錯位排列，通過對面料進行結構優化制備了一種雙面格柵氣凝膠隔熱氈，結構如圖3[25]所示。對這種面料的熱防護性能以透氣性進行測試后發現，面料的綜合熱防護性最佳時，氣凝膠格柵寬度為2.5 mm，厚度為0.5 mm，內外側溫差為70 ℃，透氣率為138.91 mm/s，在增強了熱防護性能的情況下保證了其透氣性，同時避免了質量增加對人體舒適性的影響。

圖3 雙面格柵氣凝膠隔熱氈Fig.3 Double-sided grid aerogel insulation felt

王璐等[26]將SiO2氣凝膠混雜到芳綸非織造布中，并通過火焰手系統進行燃燒測試，結果顯示芳綸非織造布夾雜SiO2氣凝膠之后導熱系數降低，同時，增加試樣的厚度，體積密度以及面密度都對隔熱性能有一定程度的提升。此外，手套采取三明治結構可以有效防止氣凝膠粉末的掉落。

Shaid等[27]將氣凝膠非織造布分別作為防護服的隔熱層和增強材料，測試了其各種性能并與當前市面上的增強材料進行對比。當將氣凝膠非織造層用作隔熱層時，其耐熱性是現有隔熱層的五倍，是現有隔熱層和防潮層的綜合性能的三倍。當氣凝膠非織造布用作增強材料時，在49 N壓縮載荷下進行200 ℃的表面加熱，發現商用增強材料接觸后30 s內背后的溫度迅速升高至72 ℃(接觸時發生即時灼傷的溫度)，而氣凝膠增強材料則需要4 min以上的時間才能達到相同的溫度。此外，氣凝膠非織造布的透氣性幾乎是現有隔熱層的3倍，而且氣凝膠層將對水和其他無機有害液體的轉移具有一定的抵抗力，當75%的H2SO4滴在氣凝膠層上時，沒有發生滲透或擴散。在提高熱防護性能的同時，增加了使用人員的舒適性以及對有害液體的抵抗能力。

張慧[28]測試了微膠囊相變材料(MPCM)、傳統隔熱層和氣凝膠層3種材料相互組合作為隔熱層的熱防護性能。在熱輻射強度為15.4 kW/m2，輻射時間為240 s的條件下，同時使用氣凝膠和傳統隔熱層作為隔熱層，將氣凝膠放在隔熱層相對靠內的位置時系統熱防護性能最好，相較于同厚度的傳統隔熱層，熱防護性能提升了51.4%。使用氣凝膠和MPCM作為隔熱層時，當MPCM相變溫度為45 ℃且放置在隔熱層靠內的位置，系統的熱防護性能表現最好，相較于同厚度的純氣凝膠或純MPCM，熱防護性能有很大的提升，說明氣凝膠和MPCM具有協同效應。

鄭紅霞[29]采用溶膠-凝膠法以及原位生長技術，將SiO2氣凝膠納米顆粒添加到SiO2納米纖維中。氣凝膠顆粒加入后，材料內部的納米級孔隙增多，熱量在傳輸過程中受到阻礙，使得固相傳熱減少，導熱系數顯著降低，從而材料具有良好的隔熱性。此外，SiO2氣凝膠納米顆粒的引入對材料的力學性能和疏水性進行了改善。隨著添加量加大，材料在受外力作用時，纖維之間的摩擦力以及滑移阻力明顯增大，可以阻礙材料在斷裂時裂紋的擴散，從而使材料的強度增加，同時還保持了其原有的柔韌性。材料還具有良好的疏水性，氣凝膠顆粒越多，疏水角越大。所以，優異的隔熱性能、力學性能以及疏水性使其非常適合用于熱防護服。

氣凝膠材料在作為防護服的應用中已經受到了廣泛的研究，并且已經取得了很多不錯的成果，但是在高溫下氣凝膠材料內部多孔結構會發生塌陷，造成粉末脫落影響其熱防護性能，這個問題還沒有一個特別好的解決方案。同時應加大對氣凝膠防護服防水透氣性以及柔韌性的研究，為相關使用人員提供更好的舒適性。

2.3 其他用途

除了將氣凝膠材料用在高速飛行器以及高溫防護服上外，其隔熱性能還能應用到很多方面。

Yin等[30]制備了一種新型保溫箱用作疫苗的冷鏈運輸。保溫箱隔熱層由RT5/SiO2氣凝膠復合相變材料(PCM)和壓縮聚苯乙烯(XPS)組合構成。相較于僅使用XPS作為隔熱層，使用PCM 作為隔熱層可以使溫度保持時間增加99倍。此外，XPS和PCM對隔熱效果具有協同作用，同時使用2種材料比單獨使用PCM作為隔熱層的保溫時間提升了14.7%。并且針對雙層隔熱層進行優化，保溫效果最好時XPS層與PCM層的厚度比為1∶3。隨著培養箱整體尺寸的增加，溫度保持時間的上升速率呈現出增加的趨勢，這為不同要求下的冷鏈運輸配置提供了可替代品。

何翔等[31]研制出一種復合抗彈結構，采用船用鋼作為前后面板，SiO2氣凝膠作為隔熱層，抗彈層選用超高分子量聚乙烯纖維增強塑料(UFRP)層合板。在A60耐火等級標準下進行耐火測試，發現當SiO2氣凝膠材料的厚度為20 mm時，UFRP層合板的溫度僅有133 ℃，起到了很好的熱防護效果，防止了UFRP因溫度過高造成抗彈性能下降。

3 氣凝膠及其復合材料

氣凝膠材料具有含納米級孔隙的多維網狀結構，因而其具有低熱導率，密度低，空隙率高等優良特點，非常適合作為隔熱材料使用，已經被用于航空航天，安全消防等領域，但是因為特殊的多孔隙結構，其力學性能較差，且在高溫下會出現內部結構的塌陷，嚴重影響隔熱性能，常用其他材料與氣凝膠材料進行復合來彌補缺陷。目前常用的氣凝膠材料有 SiO2氣凝膠、酚醛氣凝膠、金屬氧化物氣凝膠、碳氣凝膠、石墨烯氣凝膠等。

3.1 SiO2氣凝膠及其復合材料

SiO2氣凝膠作為最早被發明的氣凝膠材料，對其進行的研究最為廣泛，不斷對其制作工藝進行優化，對SiO2氣凝膠進行改性來彌補其缺陷，目前對SiO2氣凝膠材料的研究已經較為成熟，可以初步轉向產業化生產。

3.1.1 與高性能纖維進行復合

將高性能纖維與氣凝膠材料進行復合，可以有效地提升氣凝膠材料的熱防護性能，這是最常見的一種方式。Chakraborty等[32]通過凝膠化、甲硅烷基化和大氣壓干燥路線制備出四乙氧基硅烷纖維增強SiO2氣凝膠，有效地改善了氣凝膠的疏水性。并且隨著甲硅烷基化劑濃度的增加，復合氣凝膠材料的熱防護性能得到了提升。與普通的非氣凝膠材料相比，使用氣凝膠材料后受到燒傷的時間增加了58%。

Lyu等[33]分別在室溫以及高溫環境下對陶瓷纖維增強SiO2氣凝膠進行了壓縮實驗，隨著暴露溫度的升高，材料的壓縮模量和強度增加，但形變恢復能力降低。由熱燒結引起的微觀結構變化是改變力學性能的關鍵因素。高溫引起的氣凝膠顆粒融合會導致顆粒骨架更厚，更堅固。大孔的形成和破裂引起的基體裂紋使不可恢復的變形更加嚴重。壓縮載荷和熱載荷的共同作用會加劇不可逆形變的產生。呂雙祺等[34]在這之后還基于數字圖像的相關方法對材料進行了各向異性熱變形的測量。

Ghica等[35]使用芳綸漿粕對SiO2氣凝膠進行增強，得到的復合材料密度低至208 kg/m3，并且具有良好的熱防護性能，TG-DSC分析表明，復合材料在高達500～550 ℃的溫度下具有很高的熱穩定性。在對材料表面進行改性后具有良好的疏水性。同時尺寸穩定性較好，在經過5個壓縮-減壓循環后，其尺寸或微觀結構沒有顯著變化。材料各方面都具有不錯的性能，非常具有潛力。

Mazraeh-shahi等[2]通過溶膠-凝膠法制備了SiO2氣凝膠/聚對苯二甲酸乙二酯(PET)非織造復合材料。通過氮氣吸附分析復合材料中SiO2氣凝膠顆粒的平均孔徑為11 nm，比表面積為606 m2/g，總孔體積為1.77 cm3/g，表明該氣凝膠可以保持其高孔隙率。與純PET材料相比，復合材料具有更好的疏水性與熱防護性能。

3.1.2 與相變材料進行復合

相變材料(PCM)在相變過程中能可逆地吸收和釋放大量熱量[36-39]，具有較低的熱導率和較高的潛熱，在熱保護應用中顯示出巨大的潛力[40-41]，但具有體積易變化和易泄漏的缺點，針對這個問題，通過將PCM摻入到各種多孔支撐材料中來制造形狀穩定的復合PCM是可行的[42-45]。氣凝膠材料的多孔結構剛好適合與PCM進行復合。

Wang等[46]通過簡化的兩步法制備出疏水性SiO2氣凝膠，由正己烷活化后進行短鏈烷烴硅烷化得到短鏈改性的M-SiO2氣凝膠，表現了出色的疏水性，同時保持了SiO2氣凝膠固有的高孔隙率。M-SiO2氣凝膠相較于SiO2氣凝膠大大提高了RT60(一種典型的有機PCM)的吸收率。與基于SiO2氣凝膠的相變復合材料相比，基于M-SiO2氣凝膠的相變復合材料有更好的熱防護性能和更大的潛熱，熱導率低至 0.178 W/(m·K)，潛熱高達 180 J/g。而且，基于M-SiO2氣凝膠的相變復合材料顯示出良好的可逆穩定性，并且在200次加熱-冷卻循環后未觀察到PCM的泄漏。

Liu等[47]研發出一種整體式SiO2氣凝膠基復合相變材料的原位一步構建方法，并用其制備出整體式十八烷醇/SiO2氣凝膠復合相變材料，這種材料具有較高的潛熱(127.73 J/g)，較低的熱導率(0.12 W/(m·K))，較高的抗壓強度(11 MPa)和良好的疏水性(接觸角124°)。特別是，由于二氧化硅氣凝膠的導熱系數低且PCM的潛熱較大，因此，這種材料可以先使用二氧化硅氣凝膠有效地隔離熱量，然后再使用PCM吸收熱量，發揮出良好的隔熱性能。

3.1.3 氣凝膠噴涂成膜

隔熱涂層被廣泛用于保護柴油發動機和高壓渦輪機，以延長其組件的壽命[48]。足夠厚的涂層有助于熱防護，但空間限制通常要求使用高性能的隔熱材料。

Kim等[49]使用超音速冷噴涂將蒙脫石，SiO2和SiO2氣凝膠微粒沉積到剛性不銹鋼和柔性PET基材上。測試了各種厚度的絕緣層的隔熱性能。由于氣凝膠顆粒是非黏性的[50]，為了提高黏合強度，將氣凝膠與自身帶有黏性蒙脫土混合。在巧克力融化試驗中，將3 mm厚的純蒙脫石涂層和3 mm厚的蒙脫石氣凝膠混合涂層作為隔熱層，巧克力分別在 8 min 和12 min時完全融化。測試證實，按體積計算，包含2/3蒙脫石和1/3氣凝膠的混合涂層具有更佳的絕緣性能。

3.1.4 氣凝膠與其他材料的結構組合

在某些高溫烈焰沖擊的環境中，氣凝膠的隔熱性能會隨著自身內部結構塌陷而大幅降低，這時需要搭配耐熱耐沖蝕材料一起使用來確保氣凝膠的熱防護性能。譚大力等[51]將SiO2氣凝膠和SiC陶瓷組合制備了一種熱防護結構。這種結構受到噴射速度為1 000 m/s，焰心溫度超過1 800 ℃的丙烷火焰噴射后，發現氣凝膠材料沿厚度方向的溫度梯度變化十分明顯，在正面附近極速下降，在背面附近溫度變化較為平緩，說明氣凝膠材料具有優秀的隔熱性能。

3.2 酚醛氣凝膠及其復合材料

酚醛氣凝膠是一種具有三維網格結構的固體凝膠材料，在結構內部存在遍布著空氣的納米級孔隙，在溫度升高時這些孔隙限制了氣體分子的流動，大大降低了材料的熱導率，使其具備了良好的隔熱性能。同時熱解氣體在移動到邊界層后會產生熱阻塞效應，表面熱解后會形成碳層，氣體碰到碳層會反向輻射消耗熱量[52]。

羅浩[53]采用溶膠凝膠法以及常壓升溫干燥法制備出硅酚醛氣凝膠，通過向氣凝膠的分子鏈嫁接三甲基乙氧基硅烷，使其接觸料達到了135°，從而具有良好的疏水性，但是使用的硅烷疏水劑有一定得用量要求，一旦超過0.8這個飽和值，會導致材料的熱穩定性能出現輕微下降。

Wang等[54]開發了一種簡單便捷的溶膠-凝膠聚合工藝，并用其制備了短切碳纖維增強的硅酚醛樹脂氣凝膠納米復合材料。首先測試出Si/PR氣凝膠比PR氣凝膠具有更好的微觀結構，更高的熱穩定性和更好的抗氧化性，熱導率在室溫下約為0.089 W/(m·K)。同時短切碳纖維增強的硅酚醛樹脂氣凝膠納米復合材料的線性消融速率低至 0.117 mm/s，并且在受到超過2 000 ℃的氧乙炔火焰沖擊后，38 mm厚的材料背面溫度最高只有100 ℃左右。

宋寒等[55]將酚醛樹脂溶液作為前驅體，增強體選用石英針刺預制體，采用RTM復合浸漬成型法制備出石英纖維/酚醛氣凝膠復合材料。分析了不同樹脂前驅體配比對復合材料性能的影響。固化劑含量的增加會導致材料的收縮率顯著上升，壓縮變形量顯著降低，密度小幅增加，導熱系數先減小后變大。而且隨著提升酚醛樹脂固含量，材料收縮率顯著上升，壓縮變形先減小后增大，導熱系數先減后增。此外，增加二氧化硅的含量，收縮率和壓縮變形幾乎無變化，密度和導熱系數略有增加。

3.3 碳氣凝膠及其復合材料

1989年Pekala首次使用超臨界干燥法制備了酚醛氣凝膠，然后在惰性氣體中高溫裂解得到了碳氣凝膠[56]。碳氣凝膠的制備過程大致可以分為三步：溶膠-凝膠、干燥、炭化。上述方法制備的碳氣凝膠密度低，強度高，比表面積大，但是不易塊狀成型[57-58]，且在有氧環境下易氧化，力學性能急速減弱[59]。所以在實際的使用中需要添加增強相來彌補缺陷。

Ye等[60]通過真空浸漬將碳氣凝膠浸漬到碳鍵合碳纖維(CBCF)中制備出新型超彈性碳纖維復合材料(CBCF-CA)。CBCF-CA材料有效改善了碳氣凝膠的缺點，抗壓強度達到了1.24 MPa，且在壓力釋放后恢復原有形狀，無明顯形變。此外，CBCF-CA材料保持了氣凝膠材料良好的隔熱性能，在 1 400 ℃ 的高溫下熱導率僅有0.246 W/(m·K)，低于CBCF材料的0.341 W/(m·K)。

馮家鑫等[61]研發出帶有致密ZrB2-SiC陶瓷涂層的碳纖維增強碳氣凝膠復合材料，碳纖維的引入使得碳氣凝膠的機械強度有了很大的提升，材料在XY方向受力時機械性能較為優異。在經過4次涂層浸漬后，氣凝膠復合材料的密度從0.22 g/cm3增加到0.40 g/cm3,彎曲強度和壓縮強度分別達到了30.27 MPa和10.93 MPa，較純氣凝膠材料有了很大的提升。在溫差為400 ℃(-200～200 ℃)的熱振循環測試中，經過20次循環后材料的力學性能無明顯下降，耐高低溫的能力非常出色。

3.4 金屬氧化物氣凝膠及其復合材料

金屬氧化物氣凝膠不僅擁有氣凝膠材料的基本特性，如輕質、導熱率低、孔隙率高等，還具有更高的使用溫度，相較于SiO2氣凝膠有更好的穩定性，但是還具有一些不足。以Al2O3氣凝膠為例，在受到1 000 ℃的熱處理時，內部多孔結構出現大量塌陷，比表面積急速減小，使氣凝膠的優越性能大打折扣[62]。

陳恒[63]為了使Al2O3氣凝膠擁有更高的使用溫度，采用溶膠凝膠法制備了Al2O3-SiO2氣凝膠。當Al與Si摩爾比為3∶1時，復合氣凝膠的導熱率最低，隔熱性能最好。為了彌補氣凝膠材料強度低，脆性大的缺陷，分別使用剛性隔熱瓦和柔性纖維氈作為復合材料的支撐體。纖維氈-Al2O3-SiO2氣凝膠復合材料常溫下的熱導率為0.016 7 W/(m·K),即使在1 200 ℃的高溫下，材料熱導率也保持在0.109 W/(m·K)，擁有較好的隔熱性能。與之相比，隔熱瓦-Al2O3-SiO2氣凝膠復合材料隔熱性能稍差一點，常溫下熱導率為0.040 W/(m·K)，在 1 200 ℃ 高溫下的熱導率為0.124 W/(m·K)，但是隔熱瓦-Al2O3-SiO2氣凝膠復合材料力學性能更好，具有較高的彎曲強度、壓縮強度和拉伸強度。

Shao等[64]采用漿料浸漬和快速燒結的方法在Al2O3纖維增強的Al2O3-SiO2氣凝膠復合材料上制備了MoSi2鋁硼硅酸鹽玻璃雜化涂層。研究了MoSi2含量對輻射性能和熱沖擊行為的影響。在0.8～2.5 μm的波長下，采用不同MoSi2含量的涂層的總輻射系數均超過0.85，MoSi2含量為30%的涂層的復合材料表現出最佳的熱穩定性。并且在受到 1 473 K 至室溫之間的20次熱沖擊循環后，質量損失僅為0.023%，這歸因于涂層和基材之間的熱膨脹系數相似，以及鋁硼硅酸鹽玻璃在 1 437 K 時的合適黏度。

3.5 石墨烯氣凝膠及其復合材料

石墨烯氣凝膠不但具有氣凝膠低熱導率、低密度、高孔隙率、比表面積大等優點，還保留了石墨烯材料的固有特性，如力學性能強等，有效改善了氣凝膠材料較脆易碎的缺點。

高珊等[65]采用改進后的Hummers法制備出碳纖維增強石墨烯氣凝膠復合材料，這種材料在低輻射熱作用下具有較好的耐受性和熱穩定性。將 6 mm 的復合材料加入織物中，可以使人體受到熱損傷所需時間延長203%，使產生二級燒傷的時間延長218%。同時適當增加材料的厚度可以提升熱防護性能，但進一步增加厚度會使熱防護性能下降。并且復合材料的平均透濕率在16.0 g/(m2·24 h)，應用于防火織物中不會降低舒適性。

孟晶等[66]進一步研究了氧化石墨烯質量分數、碳纖維含量以及復合材料的厚度對熱防護性能的影響。對于面料最大溫差系統、升溫至12 ℃所需時間以及升溫至24 ℃所需時間，質量分數與厚度之間存在交互作用，質量分數與碳纖維含量有極顯著交互作用。對于面料系統達到最高溫度所需時間，碳纖維含量影響較顯著，其他2項沒有顯著影響，且三者之間不存在交互作用。最終石墨烯的質量分數為7%，碳纖維增強石墨烯復合材料厚度為10 mm時，熱防護性能最佳。

4 展 望

本文針對各類氣凝膠的研究進展進行了一定的論述，SiO2氣凝膠研究時間最長且成果已經較為成熟，相較之下其他各類氣凝膠的研究還有很大的進步空間，在進行研究時除了要利用好氣凝膠材料的基本特性，還可以針對各類氣凝膠材料所具備的獨特的優缺點展開研究，以滿足各方面的特種需求。

氣凝膠材料因為其獨特的結構以及優異的隔熱性能已經廣泛應用于航空航天，保溫隔熱，熱防護服等方面，但其仍然面臨造價高，質地脆，熱穩定性差等問題。在未來對氣凝膠的研究中，建議從以下幾個方面開展工作。1)提升耐溫上限，增強綜合性能，擴大應用范圍，通過異質材料復合，改善成分配比，優化微觀結構等方式研發更多耐高溫的氣凝膠復合材料，使其具備更好的力學性能，隔熱性能，可加工性，可以滿足更多特種功能的需求。2)優化氣凝膠及其復合材料材料與其他材料進行結構組合的工藝技術，材料在面對熱載荷以及壓縮載荷的共同作用下會加劇不可逆變形的產生，在結構設計時要著重考慮，滿足隔熱承重一體化防護的需求。3)進一步解決氣凝膠材料自身不具有黏性，作為隔熱層時與服裝結合的問題，依據在服裝使用中不同部位的需求，改善力學性能，消除高溫后材料的粉塵問題，增強使用人員的舒適性，針對防水透氣性采取更多的措施。4)創新氣凝膠的制作工藝，降低材料制作的成本。

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