气凝胶是一种高孔隙率、高比表面积的三维网络状结构的纳米材料。气凝胶独特的纳米结构能有效抑制材料的固体热传导和气体对流传热，是一种性能优异的“超级隔热材料”。
一、气凝胶基本知识介绍
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气凝胶物性参数 |
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最低密度的固体 |
俗称“固体烟”,气凝胶 90%以上的体积都是空气，密度最低至 0.12 mg/cm3，大约为空气密度的 1/10。 |
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最宽的密度范围 |
0.0012-0.500 g/m3范围内可调。 |
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最小的孔径 |
孔径一般在 50nm 左右，最小的孔径甚至可小于 1nm。 |
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最高的孔洞率 |
孔洞率高达 99.9%，因此比表面积积特别大。 |
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最低的介电常数 |
小于 1.003。 |
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最低的导热系数 |
导热系数可低于 0.016 W/(m·K)，常温常压下掺碳气凝胶的热导率可低达 0.013 W/(m•K)。 |
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最宽的压缩模量 |
压缩模量可在 6 个数量级的范围内变化，决定了密度可调节性。 |
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最低的声传播速度 |
声阻抗可变范围较大(103-107kg/m2·s)。 |
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最高的声阻抗 |
声阻抗可高达 106kg/m2·s，而空气的声阻 400 kg/m2·s。 |
气凝胶的制备通常分为2步：
1）通过溶胶-凝胶法使溶液内分子不断交联，形成湿凝胶；
(1)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。
(2)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。
溶胶-凝胶过程指前驱体溶胶聚集缩合形成凝胶的过程。
2）通过超临界干燥去除湿凝胶内部的溶剂，获得气凝胶。
SiO2气凝胶制备过程
反应初期，硅源通过水解得到活性单体硅酸，然后硅酸之间缩聚后生成了以硅氧（-Si-O-Si-）为主体的聚合物（溶胶），进而相互交联形成具有三维网络结构的凝胶骨架。
凝胶骨架之间存在着大量的孔隙，填充着乙醇、水等溶剂分子。
制得湿凝胶并经老化后，需要通过干燥过程将凝胶内的液态溶剂替换为气态物质，从而制得气凝胶，该过程是决定产品质量最关键的一步。
二、气凝胶的分类
气凝胶是一个固体物质形态，包括碳化物、氧化物、金属、非氧化物、半导体等多种材料都可以制作成气凝胶，各种气凝胶结构、性质不同。气凝胶可以加工成多样形态以适应不同的应用，如气凝胶颗粒、气凝胶毡、气凝胶板和气凝胶涂料。
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更广 |
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| 项目 | 特性 |
| 隔热性极佳 | 导热系数可低于0.016W/(m·K)。通过掺杂还可进一步降低硅气凝胶的辐射热传导，常温常压下掺碳气凝胶的热导率可低达0.012W/(m·K)，是目前导热系数最低的固态材料 |
| 吸附性好 | 孔洞率达到99.9%，因此比表面积特别大，可用做催化剂载体 |
| 阻燃性能A级 | 防火等级可达GB8624-2012建筑材料及制品燃烧性能分级A级要求 |
| 防水 | 一般的二氧化硅气凝胶亲水，但当气凝胶遇到化学活性物质时，会与表面的氧氢基团形成疏水的非极性基团。当气凝胶内30%的氧氢基团形成疏水基团时，气凝胶便能完全疏水 |
| 绝缘性良好 | 介电常数小于1.003，是一种良好的绝缘介质，可以降低集成电路的漏电电流，降低导线之间的电容效应，降低集成电路发热等 |
| 隔音性良好 | 声阻抗可高达106kg/m2·S，多孔隙增强吸音效果 |
| 绿色环保 | 不含可吸入性红维，对皮肤无刺激作用，可用士埋法外理 |
在国家对新材料日益重视和碳达峰对节能减碳日趋严格的大背景下，我国的气凝胶行业发展显著加快。
2015—2020年，中国气凝胶市场规模
四、气凝胶与传统保温材料性能对比
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项目 |
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来源：国海证券
原文始发于微信公众号（艾邦气凝胶论坛）：气凝胶的分类及特性