1.引言

氣凝膠是低密度、主要是介孔固體，具有優(yōu)異的性能，包括低密度、高比表面積、低介電常數(shù)和超低導(dǎo)熱率。如石墨烯或碳納米管氣凝膠、、聚氨酯和聚酰亞胺氣凝膠、生物聚合物例如纖維素、殼聚糖和蛋白質(zhì)氣凝膠，以及它們的復(fù)合材料和雜化物。特別是在過去十年中，描述新氣凝膠材料、生產(chǎn)工藝和應(yīng)用的科學(xué)論文和專利數(shù)量呈現(xiàn)名副其實(shí)的爆炸式增長，涵蓋隔熱、輸送、環(huán)境修復(fù)、催化和聲學(xué)等領(lǐng)域。

盡管氣凝膠領(lǐng)域的重要性日益凸顯，或許正因?yàn)槿绱耍皻饽z”的定義仍存在爭議。早期的定義通常基于生產(chǎn)過程中采用的干燥技術(shù)：如用于超臨界干燥的氣凝膠、用于冷凍干燥的冷凍凝膠和用于蒸發(fā)干燥的干燥凝膠。然而，較新的定義則更多基于材料特性，尤其是高比例的介孔性。最終，氣凝膠最廣泛的定義是通過用空氣替代孔流體而從凝膠衍生的任何材料，在孔徑或其他特性方面不作限制。這一更廣泛的定義主要涵蓋大孔材料，這些材料不具備通常與氣凝膠相關(guān)的介孔性、高表面積或超低導(dǎo)熱性，例如凍干纖維素泡沫。

二氧化硅氣凝膠通過溶膠-凝膠工藝生產(chǎn)，已提出多種變體以提升資源和成本效益。然而，大多數(shù)工藝仍遵循相同的基本步驟。二氧化硅溶膠的凝膠化通常由添加酸或堿以降低納米顆粒電荷穩(wěn)定性而觸發(fā)。凝膠化后，通過二氧化硅的溶解沉淀反應(yīng)，加強(qiáng)顆粒間作用力，從而提升凝膠的機(jī)械穩(wěn)定性。二氧化硅氣凝膠的工業(yè)成功幾乎完全得益于其在隔熱應(yīng)用中的表現(xiàn)。其導(dǎo)熱系數(shù)低至0.012 W/（m·K），這主要?dú)w因于顆粒網(wǎng)絡(luò)的高孔隙率和曲折性，限制了固體熱傳導(dǎo)；同時，由于克努森效應(yīng)，小孔徑低于氣體分子平均自由程長度，減少了氣相熱傳導(dǎo)。這種超低導(dǎo)熱性（僅為常置空氣和傳統(tǒng)絕緣材料的一半）催生了快速增長的數(shù)億美元市場。總熱導(dǎo)率與材料密度密切相關(guān)，如圖1所示。對于傳統(tǒng)絕緣材料，輻射貢獻(xiàn)顯著，尤其在孔徑極大時，空氣對流亦不可忽視。隨著密度增加，輻射熱傳導(dǎo)降低，而固體熱傳導(dǎo)增加。由于這些競爭效應(yīng)，熱導(dǎo)率對密度呈現(xiàn)U形依賴性。對于氣凝膠材料，上述影響同樣存在，但因氣凝膠內(nèi)孔徑小于空氣平均自由程，氣相傳導(dǎo)急劇降低，減少了空氣分子碰撞頻率，從而降低氣體熱傳遞，使得總熱導(dǎo)率的最小值移至更高密度和（多）低電導(dǎo)率區(qū)域。

圖 1. A） 傳統(tǒng)絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)   B）氣凝膠材料的導(dǎo)熱系數(shù)

二氧化硅氣凝膠納米顆粒通過相互連接構(gòu)建了多重網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，但顆粒間的連接較弱，導(dǎo)致純二氧化硅氣凝膠存在力學(xué)性能差、強(qiáng)度低、脆性強(qiáng)等缺點(diǎn)。為解決這些問題，研究者們探索了多種增強(qiáng)策略。芳綸纖維，以其低密度、低導(dǎo)熱性和高機(jī)械強(qiáng)度，成為增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠的理想選擇。芳綸纖維在空氣中的分解溫度高達(dá)約450°C，使其特別適合用于高溫隔熱應(yīng)用。2016年，芳綸纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料（AF/氣凝膠）成功制備，隨后，縮水甘油氧丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）接枝芳綸纖維以及聚四氟乙烯涂層芳綸纖維氣凝膠復(fù)合材料相繼推出。這些復(fù)合材料在保持低密度和低導(dǎo)熱性的同時，顯著提高了抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。

進(jìn)一步的研究表明，芳綸纖維的熱性能和機(jī)械性能使其在防彈應(yīng)用中表現(xiàn)出色。與芳綸織物相比，氣凝膠整體的防彈測試樣品中織物的穿孔率減少了72%。Almeida等人在2021年比較了二氧化硅氣凝膠與芳綸纖維、毛氈的增強(qiáng)效果，發(fā)現(xiàn)使用細(xì)長纖維的復(fù)合材料具有更低的堆積密度和更好的柔韌性，適合于形狀適應(yīng)和振動應(yīng)用。

圖2芳綸增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料制備流程圖

芳綸與氣凝膠的復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了材料性能的互補(bǔ)與提升。芳綸纖維作為增強(qiáng)體，為氣凝膠提供了強(qiáng)大的力學(xué)支撐，改善了氣凝膠的力學(xué)性能，而氣凝膠則利用其隔熱、吸音等特性，與芳綸纖維相輔相成。例如，通過濕法抄紙工藝制備的芳綸/氣凝膠復(fù)合材料，在保持芳綸紙使用性能的同時，具有更好的耐熱性能。這些復(fù)合材料在隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，為材料科學(xué)的發(fā)展提供了新的思路和可能。

2.隔熱性能：高溫 “盾牌”

芳綸氣凝膠復(fù)合材料的隔熱性能堪稱一絕，這主要得益于其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu) 。氣凝膠內(nèi)部擁有大量的納米級孔隙，這些孔隙相互連通，形成了一個三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 。當(dāng)熱量傳遞時，氣體分子在孔隙中進(jìn)行熱傳導(dǎo)，而氣凝膠的高孔隙率使得氣體分子的平均自由程增大，從而大大降低了氣體的熱傳導(dǎo)效率 。同時，氣凝膠的固體骨架由納米級的顆粒或纖維構(gòu)成，其表面積很大，熱量在固體骨架中的傳導(dǎo)也受到了極大的阻礙 。此外，氣凝膠的低輻射率也使得其能夠有效地阻擋熱輻射的傳遞 。

在不同溫度下，芳綸氣凝膠復(fù)合材料的隔熱效果都十分出色 。與傳統(tǒng)的隔熱材料如巖棉、玻璃棉相比，它具有更低的導(dǎo)熱系數(shù) 。巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)一般在 0.04 - 0.06W/(m?K) 之間 ，玻璃棉的導(dǎo)熱系數(shù)約為 0.03 - 0.05W/(m?K) ，而芳綸氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)可低至 0.01-0.03W/(m?K) ，這意味著它能夠更有效地阻止熱量的傳遞。在高溫環(huán)境下，傳統(tǒng)隔熱材料的性能可能會受到影響，如巖棉在高溫下可能會發(fā)生收縮、脆化等現(xiàn)象 ，導(dǎo)致隔熱性能下降 。而芳綸氣凝膠復(fù)合材料則具有良好的熱穩(wěn)定性，能夠在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的隔熱性能 。在工業(yè)高溫設(shè)備中，如鍋爐、熔爐等，芳綸氣凝膠復(fù)合材料可用于制作隔熱襯里、保溫套等 ，有效減少熱量的散失，提高能源利用效率 。在建筑外墻保溫領(lǐng)域，使用芳綸氣凝膠復(fù)合材料作為保溫材料，可以顯著降低建筑物的能耗，提高室內(nèi)的舒適度 。在一些極端寒冷的地區(qū)，這種材料能夠阻擋室外的寒冷空氣進(jìn)入室內(nèi)，保持室內(nèi)溫暖；在炎熱的夏季，又能阻止室外的熱量傳入室內(nèi)，減少空調(diào)等制冷設(shè)備的能耗 。

3.應(yīng)用領(lǐng)域

3.1航空航天

在航空航天領(lǐng)域，芳綸氣凝膠復(fù)合材料可謂是大顯身手。在飛行器結(jié)構(gòu)件方面，它憑借自身出色的力學(xué)性能和低密度特性，成為了制造飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等部件的理想材料。以波音系列飛機(jī)為例，部分機(jī)型在結(jié)構(gòu)件中采用了芳綸氣凝膠復(fù)合材料，有效減輕了飛機(jī)的重量，提高了飛行性能 。與傳統(tǒng)金屬材料相比，芳綸氣凝膠復(fù)合材料的密度大幅降低，這使得飛機(jī)在飛行過程中消耗的燃油減少，運(yùn)營成本顯著降低。同時，其高強(qiáng)度和高模量能夠保證飛機(jī)在高速飛行和復(fù)雜氣象條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為飛行安全提供了堅實(shí)保障 。

在隔熱部件方面，芳綸氣凝膠復(fù)合材料的隔熱性能使其成為了航空航天領(lǐng)域的 “隔熱神器”。航天器在穿越大氣層時，會與空氣劇烈摩擦產(chǎn)生極高的溫度，此時芳綸氣凝膠復(fù)合材料制成的隔熱部件能夠有效地阻擋熱量傳遞，保護(hù)航天器內(nèi)部的設(shè)備和人員安全 。在國際空間站中，就應(yīng)用了芳綸氣凝膠復(fù)合材料來制作隔熱材料，確保空間站在極端溫度環(huán)境下能夠正常運(yùn)行 。它的應(yīng)用還能降低航空發(fā)動機(jī)的熱量散失，提高發(fā)動機(jī)的熱效率，延長發(fā)動機(jī)的使用壽命。可以說，芳綸氣凝膠復(fù)合材料的出現(xiàn)，為航空航天事業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，助力人類向著更高、更遠(yuǎn)的天空邁進(jìn) 。

圖3“美洲豹”戰(zhàn)斗機(jī)駕駛艙機(jī)艙采用氣凝膠隔熱材料

3.2建筑領(lǐng)域

在建筑領(lǐng)域，芳綸氣凝膠復(fù)合材料的應(yīng)用為打造綠色、舒適、安全的家園提供了有力支持。在建筑保溫材料方面，其優(yōu)異的隔熱性能能夠有效阻止熱量的傳遞，降低建筑物的能耗。無論是在寒冷的北方，還是炎熱的南方，使用芳綸氣凝膠復(fù)合材料作為保溫材料，都能顯著提高建筑物的能源效率 。在一些新建的綠色建筑中，采用芳綸氣凝膠復(fù)合保溫板，與傳統(tǒng)保溫材料相比，可使建筑物的能耗降低 20% - 30% ，大大減少了對能源的依賴，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo) 。

在防火材料方面，芳綸氣凝膠復(fù)合材料具有良好的阻燃性能，能夠有效阻止火災(zāi)的蔓延，為人員疏散和消防救援爭取寶貴的時間 。在一些高層建筑和公共場所，如商場、寫字樓等，使用芳綸氣凝膠復(fù)合材料制作防火門、防火隔墻等，能夠提高建筑物的防火安全性 。它還能在火災(zāi)中保持結(jié)構(gòu)的完整性，減少火災(zāi)對建筑物的破壞 。在隔音材料方面，其多孔結(jié)構(gòu)能夠有效地吸收和散射聲波，降低外界噪音對室內(nèi)環(huán)境的影響 。在靠近交通干線或工業(yè)區(qū)域的建筑中，使用芳綸氣凝膠復(fù)合材料作為隔音材料，可使室內(nèi)噪音降低 10 - 15 分貝 ，為人們創(chuàng)造一個安靜、舒適的生活和工作環(huán)境 。

3.3耐火型摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）

芳綸/二氧化硅納米纖維雙網(wǎng)絡(luò)復(fù)合氣凝膠在柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）中展現(xiàn)出巨大潛力。這種材料不僅具有高孔隙率、高拉伸強(qiáng)度、低熱導(dǎo)率和大比表面積，還具備優(yōu)異的耐火性能，能夠在液氮中反復(fù)彎曲而不破壞結(jié)構(gòu)，且不會出現(xiàn)傳統(tǒng)氣凝膠易掉粉的現(xiàn)象。這種特性使其在極端環(huán)境下（如消防服等智能防護(hù)織物）具有重要應(yīng)用價值。

圖4 (a) M-T/ANF氣凝膠纖維與傳統(tǒng)阻燃材料的LOI值比較。(b) 純ANF氣凝膠纖維和M-T/ANF復(fù)合氣凝膠纖維的HRR曲線。(c) M-T/ANF復(fù)合氣凝膠織物經(jīng)過燃燒測試后的光學(xué)顯微鏡圖。(d) 使用酒精燈對純ANF氣凝膠纖維進(jìn)行垂直燃燒測試。(e) 使用酒精燈對M-T/ANF復(fù)合氣凝膠纖維進(jìn)行垂直燃燒測試。(f) M-T/ANF復(fù)合氣凝膠織物暴露于火焰下不同時間的情況。

通過燃燒試驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)芳綸氣凝膠纖維因其大比表面積，阻燃性能差，火焰能夠沿著纖維蔓延，而復(fù)合氣凝膠纖維具有自熄、無熔滴的優(yōu)異阻燃耐火性能。厚度為3.5mm的復(fù)合氣凝膠織物暴露在酒精燈火焰5分鐘，火焰仍無法燒穿織物。將復(fù)合氣凝膠織物作為TENG的摩擦層制備的TENG具有穩(wěn)定的電輸出性能，在整流后能點(diǎn)亮10盞LED燈泡。并且，TENG暴露在酒精燈火焰中5秒后，其電輸出性能仍然能保留94%,顯示出極高的穩(wěn)定性。這種有機(jī)無機(jī)雙網(wǎng)絡(luò)氣凝膠纖維的制備策略為開發(fā)高性能和多功能氣凝膠纖維材料應(yīng)用于極端環(huán)境提供了更多可能性。

3.4熱絕緣材料

芳綸纖維能夠有效分散并傳遞應(yīng)力，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致二氧化硅氣凝膠結(jié)構(gòu)破壞。這種復(fù)合材料在高溫下的熱絕緣性能顯著優(yōu)于純二氧化硅氣凝膠，適用于建筑保溫、工業(yè)隔熱等領(lǐng)域。

4.發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

在當(dāng)前的氣凝膠市場中，二氧化硅氣凝膠纖維復(fù)合材料以其卓越的隔熱性能占據(jù)了主導(dǎo)地位，占據(jù)了市場收入的85%。盡管如此，這一材料在市場上的應(yīng)用仍然相對有限，主要集中在隔熱領(lǐng)域。全球的生產(chǎn)商和分銷商主要分布在北美、亞洲和歐洲地區(qū)。二氧化硅氣凝膠紡織復(fù)合材料被認(rèn)為是未來熱超絕熱領(lǐng)域最具前景的解決方案之一。然而，與傳統(tǒng)的保溫材料如礦棉、發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）和聚氨酯（PUR）泡沫以及無機(jī)多孔材料如珍珠巖相比，二氧化硅氣凝膠在市場上的份額仍然較小，僅占全球保溫材料市場份額的百分之二左右。

盡管二氧化硅氣凝膠在隔熱性能方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，但其市場推廣和應(yīng)用卻面臨多重挑戰(zhàn)。首先，二氧化硅氣凝膠的密度通常較高，這與外界過度宣傳的“世界上最輕的材料”形象有所出入。實(shí)際上，許多其他材料如纖維素、聚氨酯乃至棉花在密度上都低于二氧化硅氣凝膠，而過低的密度反而會增加氣體傳導(dǎo)，進(jìn)而影響其隔熱效果。其次，二氧化硅氣凝膠的生產(chǎn)成本高昂，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)保溫材料，這在很大程度上制約了其市場交易量。再者，二氧化硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)脆弱，機(jī)械強(qiáng)度較差，容易在外力作用下破碎，這對其實(shí)際應(yīng)用范圍和性能穩(wěn)定性構(gòu)成了顯著挑戰(zhàn)。盡管如此，二氧化硅氣凝膠的研究和應(yīng)用仍具備廣闊的發(fā)展前景。技術(shù)發(fā)展趨勢表明，未來研究將聚焦于提升芳綸纖維增強(qiáng)氣凝膠的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和阻燃性能。此外，隨著環(huán)保意識的不斷提升，開發(fā)可回收的芳綸纖維增強(qiáng)氣凝膠將成為重要研究方向。通過優(yōu)化制備工藝，如改進(jìn)濕法紡絲法的工藝參數(shù)，降低生產(chǎn)成本，也將有力推動二氧化硅氣凝膠的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

綜上所述，盡管二氧化硅氣凝膠在隔熱材料市場中具有獨(dú)特的優(yōu)勢，但其在市場推廣和應(yīng)用上仍需克服一系列技術(shù)和成本上的挑戰(zhàn)。未來的發(fā)展將依賴于材料性能的進(jìn)一步提升、成本的降低以及可持續(xù)性的增強(qiáng)。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，二氧化硅氣凝膠有望在隔熱材料市場中占據(jù)更加重要的地位。

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