第2章　溶膠-凝膠法制備硅基氣凝膠材料

2.1　二氧化硅氣凝膠

二氧化硅氣凝膠是一種輕質、多孔、具有三維網狀二氧化硅粒子的材料，可以在臨界條件下通過萃取液相二氧化硅凝膠得到。由于其極低的熱導率［0.005～0.1W/（m·K）］、低密度（0.003～5g/cm3）、高孔隙率（80％～99.8％）和高比表面積（500～1200m2/g）等出色性能，二氧化硅氣凝膠在航空航天保溫系統、生態、環境清潔和保護、儲熱裝置、透明窗口系統和顏料增稠劑等方面有很好的潛在應用。然而，純二氧化硅氣凝膠在相對較低壓力下就容易破碎和變形，這限制了它們的應用。更多較高強度和剛度的耐用氣凝膠，可以通過正確選擇硅烷前驅體，混合不同的有機聚合物或者不同的纖維網絡，構建二氧化硅無機網絡來獲得。近期的研究表明，在二氧化硅氣凝膠表面羥基上添加柔性有機聚合物，是一種有效地增強二氧化硅氣凝膠力學性能的方法。如果適當的官能團被引入二氧化硅氣凝膠表面，然后與適當的有機單體共聚，就會很容易得到更多功能聚合物。力學性能增強后的二氧化硅氣凝膠，由于其疏松的結構，成為一種應用于不同工業領域的絕熱材料。

由于其特殊性能，最近幾年人們更多地關注二氧化硅氣凝膠在一些技術領域的應用，包括粒子物理實驗的切倫科夫散熱器和天窗、窗戶保溫材料。二氧化硅氣凝膠也被用來制作儲熱裝置，用于窗戶除霜和聲屏障材料。由于大的內部表面積和活躍的表面化學能，一些氣凝膠也可以作為電池電極、催化劑載體、氧濕度傳感器、環境清潔吸附劑。較低的熱導率和極低的密度，使二氧化硅氣凝膠成為航空航天領域廣受關注的材料。一個應用例子就是，為了保護“火星漫游者”電子單元而在其電池組周圍設置的絕緣體。在未來去火星的載人飛行任務中，可以考慮那些性能穩定、柔韌的氣凝膠作艙外宇航服的保溫層。氣凝膠復合材料是僅有的符合要求的制作艙外保溫服的材料。在未來進行的火星探測太空任務中，穩定的氣凝膠復合材料也可以作為氣動減速器絕熱材料。

氣凝膠在太空領域的應用價值，不僅僅局限于保溫方面。事實上，二氧化硅氣凝膠也可以用來收集懸浮微粒以保護太空望遠鏡或者設計作為坦克擋板。然而，二氧化硅氣凝膠極其脆弱的力學性能和天然吸濕性往往會限制它的應用。因此，為了擴大氣凝膠的應用范圍，保證其具備出色的性能，尤其是穩定的力學性能是必須的。

增強二氧化硅氣凝膠力學性能的方法有在二氧化硅凝膠骨架中加入柔性二氧化硅前驅體增強其結構，硅骨架和聚合物形成表面交聯的賦形涂層；還有在原始溶膠狀態下的二氧化硅氣凝膠中加入碳納米纖維。原則上為了提高二氧化硅氣凝膠的柔韌性或者彈性恢復力，需要引入有機交聯基團，在硅骨架的結構或者交聯的凝膠骨架中，通過表面的硅羥基與單體/聚合物反應。

因為二氧化硅氣凝膠是由一個個Si—O—Si鍵組成，二氧化硅氣凝膠和聚合物的混合導致二氧化硅粒子之間的連接點增多，從而在這些粒子之間形成較強的C—C共價鍵。因此，這種方法可以使強化后的二氧化硅氣凝膠比純二氧化硅氣凝膠強度增加。與有機聚合物復合的目的是合成一種具有良好抗壓強度，且能夠滿足零件設計要求和吸收沖擊壓縮能量的氣凝膠。非交聯狀態下的氣凝膠通過改變二氧化硅骨架的化學性質可以顯著增強其彈性和柔韌性。例如，TMOS/BTMSH衍生氣凝膠密度低于0.06g/cm3，這是彎曲50°而不會被破壞的材料。此外，克萊默等論證了在TEOS衍生氣凝膠中加入超過20％的聚二甲基硅氧烷，會使其橡膠壓變恢復力提升30％。Shea和Loy利用橋聯聚倍半硅氧烷研制出了混合氣凝膠，通過非水溶性的C—Si鍵，將有機橋聯基團組成的砌塊連接到兩個或兩個以上的三烷氧基甲硅烷基團上。所有這些方法被證明是不同的調整力學性能的方式。弗里克和皮克拉等在權衡力學性能（如楊氏模量或最大強度）和二氧化硅氣凝膠的密度時發現，增強二氧化硅氣凝膠力學性能最直接的方法會導致其密度的增加，從而使其熱導率增加。由于需要增加二氧化硅氣凝膠中連接點的總數，導致了用于生產凝膠基材料總量的增加。最近的研究成果表明，氣凝膠的密度和熱導率在僅僅增加一倍時，其最大抗壓強度大約提高了三個數量級。因此，本章的目的是提供一些通用的方法，概述在最低限度增加二氧化硅氣凝膠密度和熱導率時，賦予其較高強度或剛度。