二氧化硅气凝胶被誉为世界上最轻的固体，具备热导率低、孔隙率高、耐高温和比表面积大等优点，是新型纳米超保温材料。然而，二氧化硅气凝胶自身存在力学性能差和制备成本高的问题，限制了其在保温隔热领域的大规模推广应用。
文章梳理了二氧化硅气凝胶的合成技术与力学性能增强方法，分析了前驱体选择、溶胶—凝胶过程、老化条件、干燥方法以及与纤维复合等方面因素对气凝胶性能及工艺的影响。
二氧化硅气凝胶主要通过溶胶—凝胶法制备，包括水解、缩聚、老化及干燥等步骤。
1 硅源的选择
气凝胶制备前期硅源的选择至关重要，决定其研制类别。世界上首批气凝胶是以Na2SiO3作为前驱体成功制备的二氧化硅气凝胶。目前，前驱体的选择从传统硅源转向新兴硅源。传统的硅源包括原硅酸甲酯（TMOS）和原硅酸乙酯（TEOS）。
由于TMOS的毒性，TEOS成为主流硅源。新兴的硅源有甲基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷（MTMS）、水玻璃、聚硅氧烷、稻壳灰、硅溶胶等。后续可基于市场需求，开发更耐高温、有利于结构稳固的硅源，并从经济性角度出发，开发价格更为低廉的硅源以降低原料层面的生产成本。
以TEOS为前驱体制备二氧化硅气凝胶的工艺流程如图1所示。
TEOS、水和溶剂按一定比例混合，TEOS水解和缩聚同时进行，也称为溶胶和凝胶。在不同的催化剂作用下，TEOS水解机理有所不同。
为了避免溶胶速率或凝胶速率某一方过快，一般采用酸碱两步法：酸性条件下进行充分水解，碱性条件下凝胶，从而形成致密的二氧化硅四面体网络结构。两步催化法极大地提高了制备效率。
2 干燥方法
气凝胶在老化完成后，孔隙中存在大量溶剂，需要进行干燥。传统二氧化硅气凝胶制备主要采用超临界干燥，可获得大块气凝胶，其原理是利用干燥介质在超临界状态下表面张力可忽略不计的特性，从而避免孔径受到毛细管力的破坏。
然而，不同的干燥介质所需的临界条件不同，临界温度越高、临界压力越大，则危险性越大。二氧化碳是最容易实现超临界状态的溶剂，因此常被选用为超临界干燥介质。
鉴于高温高压的极端环境危险性极高，学者们开始致力于研究常压干燥方法。20世纪80年代中期，Tewari等人用二氧化碳代替醇类作为超临界干燥介质，将干燥温度降至室温，在一定程度上降低了成本，使二氧化硅气凝胶的制备更加安全。然而，常压干燥的溶剂置换时间过长，大大增加了工业生产成本。
目前，二氧化硅气凝胶的干燥还可采用冷冻干燥法，其利用的是升华原理：在凝胶尚未形成完备骨架之前进行低温冷冻，溶剂和水分直接从固态升华为气态，从而大大降低表面张力。冷冻干燥的难点在于溶剂的选择。应选择凝固点高、蒸气压高的溶剂作为凝胶溶剂，这样操作要求相对降低，溶剂也更容易凝固成固态；但若蒸气压过高，固体溶剂迅速升华为气态，晶体会破坏凝胶网络结构，导致所制备的气凝胶多为小尺寸，难以形成块状，甚至呈粉末状，使用范围受限。
目前常用的超临界干燥、常压干燥及冷冻干燥均存在各自的优缺点。超临界干燥工艺要求严格、危险性较高；常压干燥和冷冻干燥则可通过在溶胶—凝胶阶段形成更均匀的孔径来降低表面张力；此外，在老化阶段可通过调整老化参数等手段强化二氧化硅气凝胶的网络结构。
二氧化硅气凝胶的制备从溶胶—凝胶、老化到干燥，环环相扣。硅源的选择、前驱体的水解配比与酸碱环境、老化母液的选择以及干燥方式均十分关键。
后续研究中应尽可能基于气凝胶的应用场景对各环节进行精准调控，以达到经济性与实用性的双重目标。
3 二氧化硅气凝胶改性
气凝胶无论在制备阶段还是后续使用中，其力学性能的脆性都是极大的局限。针对这一问题，众多学者开展了相应的性能优化研究。
目前力学性能的提升主要依靠增韧材料，增韧材料主要分为无机纤维和有机纤维，常见的有玻璃纤维、碳纤维以及玄武岩纤维和高硅氧纤维。将这些纤维与前驱体溶液混合，再经凝胶、老化、干燥等步骤完成制备。
近年来，有学者以丝素蛋白为支架，与二氧化硅气凝胶复合，复合材料的力学性能和隔热性能得到了显著改善。
这主要基于丝素蛋白与二氧化硅纳米粒子之间可发生化学反应，且二者界面间存在氢键作用，使二氧化硅气凝胶与丝素蛋白实现有效结合。复合气凝胶的最大压缩应力从0.266 MPa增加到0.508 MPa；在丝素蛋白的增强作用下，复合气凝胶的导热系数从0.0668 W/(m·K)降至0.0341 W/(m·K)，降低约49%。
4 应用总结与未来优化
由于二氧化硅气凝胶能够有效降低建筑、航空航天及新能源等领域的热量损耗，提升设备的使用寿命和热安全性能，在保温隔热领域具有重要的应用价值。该材料作为节能降耗的优质粉体材料，未来在隔热领域的应用可聚焦于以下几个方面：
1）在建筑领域，应着眼于二氧化硅气凝胶与现有建筑基体材料的结合，在保证建筑材料抗压等力学性能的前提下，降低其热导率，提高疏水性和热稳定性，并尽可能增加二氧化硅气凝胶的掺量，解决其与建筑基体之间的界面结合问题。
2）气凝胶质量轻且隔热性能优异，因此可应用于航空航天领域。然而，在实际应用过程中需重点关注以下问题：气凝胶脆性较大，需与其他材料复合以提升其抗冲击性能；为适应超音速飞行的发展需求，需拓展其在更高温区的应用。
3）目前二氧化硅气凝胶多采用超临界干燥方法，制备成本高，限制了其大规模应用，且难以制备大尺寸成品。因此，应开发更具性价比的干燥方法，优化制备工艺，进一步拓展其应用范围。
来源：李德,陈晨,周伟伟,.二氧化硅气凝胶的研制及隔热领域应用研究【J】.化工设计通讯,2026,(09):3-7.
