导读：

气凝胶作为一种具有独特纳米多孔结构的新型材料，因其极低的密度、高孔隙率、优异的隔热性能以及良好的隔音、阻燃等特性，被誉为“改变世界的神奇材料”，在众多领域展现出广阔的应用前景。其制备工艺复杂，主要包括溶胶配制、凝胶老化和干燥等关键步骤，工艺参数的精确控制对气凝胶的性能至关重要。

气凝胶是一种由纳米级胶体颗粒相互连接形成的三维多孔固体材料，其内部孔隙被气体填充，形成独特的纳米多孔结构。它因凝胶中的溶剂被气体完全取代而得名，被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）定义为“由分散相为气体的微孔固体组成的凝胶”。

气凝胶具有极低的密度，是目前已知最轻的固体材料之一，最轻的气凝胶密度仅为0.16mg/cm³，略低于空气密度。同时，它还具有高孔隙率（孔隙率高达99.9%）、高比表面积、低导热系数（热导率可低至0.012W/(m·K)）、低折射率、低声阻抗等多种优良物理性能。此外，气凝胶还具备良好的隔热性、阻燃性、绝缘性和隔音性，是一种绿色环保的材料。

由于其力学性能相对较差，气凝胶通常需要制备成复合材料以增强其力学性能，从而拓宽其应用范围。气凝胶凭借其卓越的隔热效果、超长的使用寿命和超强的耐火性能等优势，在新能源、石油化工、工业隔热、建筑建造等领域具有广泛的应用价值。例如，它可以用于动力电池隔热、工业管道保温、建筑外墙隔热等场景，是一种极具潜力的热管理材料，被誉为“改变世界的神奇材料”。

气凝胶外貌图

资料来源：中国银河证券

与传统保温材料相比，气凝胶保温隔热性能更好，使用寿命更长。气凝胶超低的导热系数保证其优秀的隔热效果，隔热性能是传统保温材料的2-5倍，并且从-200℃到650℃环境均可使用。同时，气凝胶的纳米孔特殊结构使其耐压抗拉，使用寿命更是传统材料的5倍以上。

常见气凝胶性能表

于慧君.Al₂O₃-SiO₂气凝胶复合材料中增强纤维表面结构设计与性能研究[D].天津大学,2021.

气凝胶与传统保温材料性能相比

资料来源：国海证券

气凝胶突出的隔热性能来自于其多孔结构。气凝胶的孔径尺寸低于常压下空气分子平均自由程，因此空隙中的空气分子近似静止，从而避免了空气的对流传热。气凝胶极低的体积密度及多孔结构的弯曲路径也阻止了气态和固态热传导，趋于“无穷多”的空隙壁可以使热辐射降至最低。三方面共同作用，几乎阻断了所有热传递途径，使气凝胶达到其他材料无法比拟的隔热效果。

隔热机理

中凝科技官网，埃力生气凝胶公众号，国海证券研究所

气凝胶已经从最初的SiO₂气凝胶发展成为庞大的气凝胶家族。

根据气凝胶的外观，可分为块体、粉末和薄膜；根据气凝胶的制备方法，可分为气凝胶、干凝胶、冻凝胶；根据不同微观结构，可分为微孔（<2nm）、中孔（2~50nm）和混合多孔气凝胶；根据基体，可分为无机、有机、混合和复合气凝胶；最常用的气凝胶分类方法是通过组分来区分，可分为单组分和多组分气凝胶。

单组分气凝胶包括氧化物气凝胶、碳化物气凝胶、氮化物气凝胶、石墨烯气凝胶、量子点气凝胶、金属气凝胶、聚合物基有机气凝胶、生物质基有机及碳气凝胶、硫化物气凝胶等。

多组分气凝胶（复合气凝胶）是指由两种及以上单组分气凝胶构成或者由纤维、晶须、纳米管等增强体与气凝胶基体相结合的气凝胶复合材料。如，有机纤维-SiO2气凝胶等。组成、结构不同的气凝胶，展现出独特的性质，适用于特定的应用场景。

气凝胶的分类

资料来源：王本力.抢抓“碳达峰”历史机遇，加快气凝胶产业快速成长[J].新材料产业,2021(2):28-32

目前市场上常见的以及研究较多的可分为氧化物气凝胶材料、炭气凝胶材料（耐高温性可达3000℃）和碳化物气凝胶材料。

氧化物气凝胶材料在高温区（＞1000℃）容易发生晶型转变及颗粒的烧结，其耐温性相对较差，但是其在中高温区（＜1000℃）具备较低的热导率。氧化物气凝胶材料主要有SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、CuO等。

（1）SiO₂气凝胶材料

SiO₂气凝胶是目前隔热领域研究最多也是较为成熟的一种耐高温气凝胶，其孔隙率高达80%~99.8%，孔洞的典型尺寸为1~100nm，比表面积为200~1000m²/g，而密度可低达3kg/m³，室温热导率可低达12m.W/（m·K）。

SiO₂气凝胶材料通常是将与红外遮光剂以及增强体进行复合，以提高ZrO₂气凝胶的隔热和力学性能，使其既具有实用价值的纳米孔超级绝热材料，同时还兼有良好的隔热和力学性能，主要应用于航空航天、军事、电子、建筑、家电和工业管道等领域的保温隔热。

常用的红外遮光剂有碳化硅、TiO₂金红石型和锐钛型）、炭黑、六钛酸钾等；常用的增强材料有陶瓷纤维、无碱超细玻璃纤维、多晶莫来石纤维、硅酸铝纤维、氧化锆纤维等。

（2）ZrO₂气凝胶材料

与ZrO₂气凝胶材料相比，ZrO₂气凝胶的高温热导率更低，更适宜于高温段的隔热应用，在作为高温隔热保温材料方面具有极大的应用潜力。ZrO₂气凝胶材料的孔径小于空气分子的平均自由程，在气凝胶中没有空气对流，孔隙率极高，固体所占的体积比很低，使气凝胶的热导率很低。目前关于ZrO₂气凝胶应用于隔热领域的报道还比较少，研究者主要致力于ZrO₂气凝胶制备工艺的研究。

（3）Al₂O₃气凝胶材料

Al₂O₃气凝胶材料具有纳米多孔结构、使其具有更轻质量、更小体积达到等效的隔热效果，同时具有高孔隙率、高比表面积和开放的织态结构，在催化剂和催化载体方面具有潜在的应用价值。氧化铝气凝胶还可用作高压绝缘材料，高速或超速集成电路的衬底材料，真空电极的隔离介质以及超级电容器。

氧化铝气凝胶材料

资料来源：网络

炭气凝胶最大的特点就是其在惰性及真空氛围下高达2000℃的耐温性，石墨化后耐温性能甚至能达到3000℃，而且炭气凝胶中的炭纳米颗粒本身就具备对红外辐射极好的吸收性能，从而产生类似于红外遮光剂的效果，因此其高温热导率较低。但是在有氧条件下，炭气凝胶在350℃以上便发生氧化，这使得其在高温隔热领域的应用受到了极大地限制。随着SiC、MoSi₂、HfSi₂、TaSi₂等高抗氧化性涂层的发展，在炭气凝胶材料表面涂覆致密的抗氧化性涂层，阻止氧气的进一步扩散，将使该材料具备极大的应用前景。

碳化物材料具备极好的抗氧化性能，但是其本身热导率较高，将其制成含有三维立体网络状结构的气凝胶，可以极大地降低材料的热导率，进一步提高材料的隔热性能。目前国内外对于碳化物气凝胶的研究还相对较少，特别是对于成形性良好的块状碳化物气凝胶的研究尚处于初始阶段，对于其作为高效隔热材料的研究也较为匮乏，仅限于对该材料的制备与表征。

目前大规模产业化的是SiO₂气凝胶，以此为例介绍气凝胶的制备流程。

SiO₂气凝胶的制备一般分为三步，主要包括溶胶配制，凝胶老化和干燥过程。具体的工艺过程主要是将硅源与适当的溶剂混合，然后向混合物中加入水和催化剂，使硅源发生水解与缩聚，得到以硅氧硅键为主要成分的溶胶；经过凝胶与老化后，得到具有三维网状结构的湿凝胶；最后经过适当的干燥方式如超临界干燥和常压干燥后获得具有三维纳米多孔结构的SiO₂气凝胶。

采用溶胶-凝胶工艺制备SiO₂气凝胶材料的流程图

资料来源：蔡华飞.采用溶胶-凝胶工艺制备SiO₂气凝胶材料的流程图[D].国防科技大学,2020

目前低密度SiO₂气凝胶一般选择硅醇盐为硅源，采用酸碱两步法进行制备。以正硅酸乙酯（TEOS）为例，在第一步酸催化的过程中，TEOS首先发生水解反应。TEOS的水解反应是分级进行的，并且随着反应的进行，反应活性逐级递减，一个TEOS分子水解生成的Si-OH数一般不超过两个；在水解进行的同时，缩聚过程也同步进行，在酸性环境中，水解单体的缩聚速率较慢，通过增大R值（H2O/TEOS的摩尔比）可使TEOS水解反应正向进行，促进TEOS的水解，抑制缩聚过程。

水解过程

资料来源：蔡华飞.采用溶胶-凝胶工艺制备SiO₂气凝胶材料的流程图[D].国防科技大学,2020

在第二步碱催化过程中，主要发生的是缩聚过程。碱性条件下，水解产物之间会发生缩聚反应的速率较快，会倾向于形成相对比较致密的凝胶颗粒，最终得到珍珠链状的凝胶网络。

缩聚过程

资料来源：蔡华飞.采用溶胶-凝胶工艺制备SiO₂气凝胶材料的流程图[D].国防科技大学,2020.

SiO₂气凝胶的性质主要受制备工艺参数的影响，不同的硅源、溶剂、催化剂、水含量和干燥方式均会显著影响气凝胶的性能。为得到不同性质的气凝胶，需要对各个工艺参数进行分析，通过改变工艺来调控气凝胶的性能。

（1）硅源

硅源的类别会显著影响SiO₂气凝胶的结构与最终性能。目前常用于制备SiO₂气凝胶的硅源有正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、甲基三乙氧基硅烷（MTMS）、水玻璃等。由于在乙醇等有机溶剂中具有良好的溶解性，采用硅醇盐能够制备出具有高纯度与高均匀性的醇系硅溶胶，避免了水系硅溶胶后期的溶剂置换过程，并且反应条件温和，易于大规模生产，因此硅醇盐目前得到了较为广泛的应用。目前应用较多的硅醇盐主要有正硅酸甲酯与正硅酸乙酯。

不同硅源优缺点比较

资料来源：蔡华飞.采用溶胶-凝胶工艺制备SiO₂气凝胶材料的流程图[D].国防科技大学,2020.

（2）催化剂

在SiO₂气凝胶的制备过程中，硅源会在催化剂的作用下发生水解和缩聚，催化剂主要有酸催化剂和碱催化剂两种。

酸催化剂的种类主要有HF、H₂SO₄、HCl、HNO₃、CH₃COOH等，其中HF具有腐蚀性，CH₃COOH的酸性较弱，因此目前常用的主要是HCl和HNO₃等强酸。

在酸性环境下，硅源的水解会受到氢离子和阴离子两方面的影响。正硅酸乙酯在酸性环境中的水解分会分为两个不同的过程：一个是氢离子进攻烷氧基使其质子化，发生亲电反应；另外一个是电负性较强的阴离子进攻正硅酸乙酯中的硅原子，发生亲核反应。在两个过程的作用下，硅源发生水解，随着水解反应的进行，Si-OR会逐渐被Si-OH取代，在吸电子效应作用下Si-OR和中心硅原子的负电荷逐渐减少，正电荷逐渐增多，逐渐增加的正电荷与氢离子相互排斥，导致氢离子与硅原子接近困难，催化活性降低，水解速率降低，难以继续进行Si-OH取代。以酸为催化剂时，通过调节水和硅源的比例，可使硅源更为充分的水解；硅源水解产物的聚合过程主要是缩水聚合，缩聚产物主要是二聚体和三聚体分子，溶胶溶液具有较好的稳定性。因为硅源只是部分水解，所以只有少量的Si-OH可以用来缩聚，当缩聚反应发生后，受空间位阻效应的影响，硅源难以再进行水解和缩聚反应。因此在酸性条件下，凝胶网络立体交联程度比较低，最终得到的主要是一维链状骨架结构的SiO₂气凝胶。

碱催化剂的种类主要有NaOH和NH₃‧H₂O等。碱催化过程中，硅源的水解过程主要是由氢氧根直接进攻Si原子的亲核反应，氢氧根具有较小的离子半径，因而具备较强的电负性，异种电荷相吸使得氢氧根更易靠近中心的Si原子，分子具有较大的反应活性，水解速率较快。由于可以提供较多Si-OH用来缩聚，因此可以在三维空间进行缩聚反应，水解单体最终形成短链交联三维结构，而短链之间的交联作用较弱，因此最终得到的SiO₂骨架结构的强度较低，易形成大孔。

由于单纯的酸催化或者碱催化均不能得到骨架结构良好的气凝胶，因此结合酸催化与碱催化的优点，通常采用先酸后碱两步催化法制备SiO₂气凝胶，可使硅源能够具有较高的水解和缩聚速率，使得硅源充分水解与缩聚，形成具有线性结构与颗粒相互交联形成三维的凝胶网络结构，最终得到具有较高交联程度，较强骨架结构强度和较小尺寸孔隙且分布较小的SiO₂气凝胶。

资料来源：蔡华飞.采用溶胶-凝胶工艺制备SiO₂气凝胶材料的流程图[D].国防科技大学,2020.

（3）溶剂

溶剂可以使硅源与水均匀混合，促进多孔骨架结构的形成。目前用于制备SiO₂气凝胶的溶剂主要有甲醇（MeOH），乙醇（EtOH）和异丙醇（IPA）等。

溶剂的性质会对溶胶稳定性和最终SiO₂气凝胶的结构与性能产生显著影响。一般而言，溶剂的结构越简单，链长越短，其空间位阻效应越小，越利于硅源的水解与缩聚，越容易得到交联程度高、骨架结构强度大和孔隙尺寸小等特点的SiO₂气凝胶。由此可见，在以上溶剂中甲醇是最优选择，但是甲醇毒性大，不适于大规模生产。乙醇链结构也相对简单，并且毒性小，也不与硅源发生酯交换反应，因此目前SiO₂气凝胶大规模生产采用的溶剂以乙醇居多。

溶剂的用量对SiO₂气凝胶的结构存在重要影响，以乙醇为溶剂时，乙醇含量过低时，气凝胶密度较高，平均孔径较小；乙醇含量过高时会对硅源的水解与缩聚有明显的抑制作用，导致气凝胶骨架疏松，强度较低，易形成大孔。由此可见，适当选择溶剂用量有利于得到综合性能良好的SiO₂气凝胶。

（4）水

水主要用来与硅源反应使其水解，同时水也是水解单体缩聚的产物。水含量会影响硅源的水解-缩聚程度和干燥过程，从而会显著影响SiO₂气凝胶结构与性能。

较低的水含量会使硅源不能充分水解，存在大量的有机基团残留在凝胶中，导致凝胶三维网络交联不充分，使得气凝胶结构疏松，孔径大并且易开裂；较高的水含量会使硅源的水解速率大于缩聚速率，从而导致凝胶颗粒团聚，使得气凝胶密度过大，此外过高的水含量会影响超临界干燥过程，导致孔隙率降低，孔径不均匀。因此需要选取合适的水含量，一般情况下水与硅源的摩尔比在3~6之间时可以制备出综合性能较为优异的SiO₂气凝胶。

（5）老化

老化过程主要是起增强凝胶骨架强度的作用。刚发生凝胶时SiO₂的骨架不完整，交联程度低，需要老化过程来增强骨架强度，形成较为完整的网络结构，减小干燥过程中的体积收缩与开裂。

对于醇系凝胶可不需要加入置换溶剂，直接进行老化；对于水含量较大的凝胶则需要在置换溶剂（如乙醇）中进行老化，以置换掉多余的水分，使SiO₂凝胶在干燥过程中保持较为完整的孔结构。

（6）干燥

干燥过程主要是在保持凝胶骨架结构的同时以气体取代孔隙中的溶剂，从而获得具有纳米多孔结构和一定骨架强度的SiO₂气凝胶。干燥是制备过程中最关键的步骤，也是制约制备流程成本的主要因素。

目前常用的干燥方式主要有超临界干燥、常压干燥和冷冻干燥。

不同干燥技术的优缺点对比

舒心,刘朝辉,丁逸栋,杨宏波,罗平.纳米SiO_2气凝胶的制备及保温隔热性应用研究进展[J].材料导报,2018,32(5):788-795

超临界干燥工艺是最早应用于气凝胶干燥的工艺，也是目前最为成熟的干燥工艺。超临界干燥的温度和压力取决于溶剂的性质，目前常用的溶剂主要有乙醇，CO₂，甲醇和异丙醇等具有较低超临界温度和压力的溶剂。

蔡华飞.采用溶胶-凝胶工艺制备SiO₂气凝胶材料的流程图[D].国防科技大学,2020.

1、干燥工艺

气凝胶的制备过程中，干燥工艺是核心环节。目前主流的干燥工艺包括超临界干燥和常压干燥。超临界干燥虽然能够保持气凝胶的纳米孔隙结构，但需要高温高压条件，设备成本高且操作复杂，难以实现大规模连续化生产。而常压干燥虽然成本较低，但需要对凝胶骨架进行复杂的疏水改性，并且对溶剂置换和干燥过程的控制要求极高，否则容易导致气凝胶的孔隙结构坍塌，影响最终性能。

2、过程精确

气凝胶的制备首先需要通过溶胶-凝胶反应形成湿凝胶，这一过程中需要精确控制溶胶的浓度、催化剂的用量、反应温度和时间等参数，以确保形成均匀的纳米孔隙结构。此外，溶胶-凝胶过程中的老化和溶剂置换步骤也至关重要，稍有不慎就会影响气凝胶的性能。例如，老化过程中需要在特定溶剂中浸泡以增强骨架交联强度，溶剂置换时需要逐步替换高表面张力溶剂，避免干燥时产生收缩。

3、成本与规模化

气凝胶的生产成本较高，尤其是在干燥工艺环节。超临界干燥需要昂贵的设备和大量的能源消耗，而常压干燥虽然成本较低，但技术门槛高，且难以保证产品质量的一致性。此外，气凝胶的规模化生产需要解决干燥工艺的安全性、设备的连续化操作以及原材料的稳定供应等问题，这对企业的技术实力和资金实力都提出了很高的要求。

基本概念总结

• 定义与组成：气凝胶是由纳米级胶体颗粒相互连接形成的三维多孔固体材料，内部孔隙被气体填充，具有极低的密度（最轻可达0.16 mg/cm³）和高达99.9%的孔隙率。

  
  

• 性能优势：其导热系数极低（可低至0.012 W/(m·K)），隔热性能是传统材料的2-5倍，且具有良好的隔热性、阻燃性、绝缘性和隔音性，是一种绿色环保材料。

  
  

• 分类：气凝胶种类繁多，按外观、制备方法、微观结构、基体和组分等不同方式分类，常见的有氧化物气凝胶（如SiO₂、Al₂O₃）、炭气凝胶和碳化物气凝胶等，不同类型的气凝胶适用于不同的应用场景。

  
  

工艺技术总结

• 制备流程：以SiO₂气凝胶为例，其制备主要包括溶胶配制、凝胶老化和干燥三个步骤。硅源（如正硅酸乙酯）通过水解和缩聚反应形成溶胶，进一步老化形成湿凝胶，最后通过干燥工艺（如超临界干燥或常压干燥）获得气凝胶。

  
  

• 关键工艺参数：硅源、催化剂（酸或碱）、溶剂、水含量、老化和干燥方式等均对气凝胶的性能有显著影响。例如，硅源的选择会影响气凝胶的纯度和均匀性；催化剂的种类和用量会影响水解和缩聚速率；干燥工艺则决定了孔隙结构的稳定性。

  
  

• 技术难点：干燥工艺是制备过程中的核心难点，超临界干燥成本高且操作复杂，常压干燥需要复杂的疏水改性。此外，溶胶-凝胶反应的精确控制和规模化生产的成本控制也是当前面临的主要挑战。