等,气凝胶研究进展 第39卷 o H OH OH一H OH +H,O o H OH oH+6S(0H)1 H-0-s|0 6H0 HO-CI-O HH0-SI-OH 在上述过程中,TEOS首先发生水解反应,且反应是分级进行的,反应活性逐级递减。随着反 应的进行,水解产物之间相互发生缩聚,进而形成胶体颗粒或溶胶;溶胶粒子的大小和交联程度与 反应的剧烈程度相关。水解和缩聚反应均在酸或碱催化下进行。酸性条件下缩聚反应相对较慢,而 在碱催化条件下缩聚反应较快。反应的剧烈程度决定了湿凝胶的形态结构。在酸性条件下,由于缩 聚反应较慢,凝胶时间比较长,溶胶粒子之间的交联程度比较疏松,最终形成三维分子网络凝胶。 而在碱性条件下,缩聚反应迅速进行,生成比较致密的胶体颗粒,最终形成的凝胶网络为珍珠串式 结构。在强碱性条件下,由于缩聚反应剧烈进行,最终形成的是由光滑胶粒构成的凝胶。图6为 凝胶形成过程原理示意图。 许多氧化物气凝胶(例如AO3气凝胶、zrO2气凝胶、TiO2气凝胶、CuO气凝胶等)都 是通过上述过程合成的。目前已经研制出的无机氧化物气凝胶有几十种之多,其中一元氧化物气凝 nonporousprimary partide Size"1nm Porous secondary particle Size5-10nm 图6凝胶形成过程原理结构图即 igure 6 Principle of gel formation process 5I1
6 章 婷 等, 气凝胶研究进展 第 39 卷 在上述过程中，TEOS 首先发生水解反应，且反应是分级进行的，反应活性逐级递减。随着反 应的进行，水解产物之间相互发生缩聚，进而形成胶体颗粒或溶胶；溶胶粒子的大小和交联程度与 反应的剧烈程度相关。水解和缩聚反应均在酸或碱催化下进行。酸性条件下缩聚反应相对较慢，而 在碱催化条件下缩聚反应较快。反应的剧烈程度决定了湿凝胶的形态结构。在酸性条件下，由于缩 聚反应较慢，凝胶时间比较长，溶胶粒子之间的交联程度比较疏松，最终形成三维分子网络凝胶。 而在碱性条件下，缩聚反应迅速进行，生成比较致密的胶体颗粒，最终形成的凝胶网络为珍珠串式 结构。在强碱性条件下，由于缩聚反应剧烈进行，最终形成的是由光滑胶粒构成的凝胶[50]。图 6 为 凝胶形成过程原理示意图。 许多氧化物气凝胶 (例如 Al2O3 气凝胶[52]、ZrO2气凝胶[53]、TiO2 气凝胶[54]、CuO 气凝胶[55]等) 都 是通过上述过程合成的。目前已经研制出的无机氧化物气凝胶有几十种之多，其中一元氧化物气凝 图 6 凝胶形成过程原理结构图[51] Figure 6 Principle of gel formation process[51]
《现代技术陶瓷》 Advanced Ceramics,2018,39(1):1-39 胶包括SO2、Al2O3、TiO2、MgO、Cr2O3、MoO2、ZrO2、Nb2O3、SnO2、B2O3等;金属氧化物气 凝胶包括Cu/A2O3、Pd/Al2O3、NAl2O3等;二元氧化物气凝胶包含Al2OySO2、P2OSO2、B2O/SO2 Nb2O5/SO2、Er2O3SiO2、CuO/A2O3、 NIO/Al2O3等;三元氧化物气凝胶有 CuO/ZnO/Al2O3 B2OyP2OSiO2、MgOA2OSO2、Pb/Mg/Nb3O3、B2OyP2OSO2等。表1列出了几种常见无机 氧化物气凝胶的一些性能参数。 表1几种常见无机氧化物气凝胶的性能参数 Table I Performance parameters of several common inorganic oxide aerogels 156-681 Surface area Density The Size of Primary Aerogel type particle /nm Porosity 500~1200 ~0.003 2~10 80%~998% 00~60 0.05 Al,O3 ZrO, 130~500 ~0.06 2~20 80%~98% Fe,O3 7~18 1.1.2湿凝胶的干燥 凝胶的干燥关键在于将湿凝胶网络中的液体用气体替代,这个过程中应尽量保持凝胶的网络结 构不被破坏,因而干燥方法对凝胶的性质有很大的影响。在干燥过程中,网状凝胶孔隙中的液体开 始蒸发时,由于分子力的作用而产生表面张力,由此产生的毛细管力为 2 其中,为气液之间的界面能,θ为接触角,r为孔洞的半径。正是这个作用力使得湿凝胶的网络结 构收缩阿。当凝胶结构的强度不能抵抗液体产生的张力时,就会导致孔隙的收缩和塌陷。目前,避 免这种现象发生最有效的方法是超临界干燥方法!2。 超临界干燥:当流体的温度和压力处于其 临界压力和临界温度之上时,则称该流体处于超 临界状态。当流体处于超临界状态时,其区 Ipercritical 别于一般流体最大的优势在于其气液界面的消 失。因而,进行超临界干燥可使对孔隙结构有破 坏作用的毛细张力急剧减小甚至消失,从而避免 孔洞的塌陷,保持湿凝胶原有的结构。这种方法 是最普遍的一种干燥方法(图7)。 vapor 超临界干燥法按交换溶剂的临界温度高低 可分为两类:高温超临界干燥法和低温超临界干 Temperature To 燥法。表2列出了几种常用超临界溶剂的临界温 图7超临界干燥过程原理示意图 度(Tc)和临界压力(Po Figure 7 The principle of supercritical drying process 高温超临界干燥采用的溶剂主要有醇类和 酮类等,这几种溶剂的临界温度都很高(超过200°℃)。采用高温超临界干燥方法进行干燥时,首先 在密闭环境中缓慢地对凝胶进行加热加压,使凝胶骨架间的流体逐渐达到超临界状态,然后再通过
第 1 期 《现代技术陶瓷》 Advanced Ceramics, 2018, 39 (1): 139 7 胶包括 SiO2、Al2O3、TiO2、MgO、Cr2O3、MoO2、ZrO2、Nb2O5、SnO2、B2O3 等；金属氧化物气 凝胶包括 Cu/Al2O3、Pd/Al2O3、Ni/Al2O3等；二元氧化物气凝胶包含 Al2O3/SiO2、P2O5/SiO2、B2O3/SiO2、 Nb2O5/SiO2、Er2O3/SiO2、CuO/Al2O3、NiO/Al2O3 等；三元氧化物气凝胶有 CuO/ZnO/Al2O3、 B2O3/P2O5/SiO2、MgO/Al2O3/SiO2、Pb/Mg1/3/Nb2/3O3、B2O3/P2O5/SiO2 等。表 1 列出了几种常见无机 氧化物气凝胶的一些性能参数。 表 1 几种常见无机氧化物气凝胶的性能参数[5668] Table 1 Performance parameters of several common inorganic oxide aerogels [5668] Aerogel type Surface area / m2 g1 Density / gcm3 The Size of Primary particle / nm Porosity SiO2 500 ~ 1200 ~ 0.003 2 ~ 10 80% ~ 99.8% TiO2 200 ~ 600 ~ 0.050 2 ~ 50 80% ~ 95% Al2O3 300 ~ 700 ~ 0.037 85% ~ 99% ZrO2 130 ~ 500 ~ 0.060 2 ~ 20 80% ~ 98% Fe2O3 > 140 ~ 0.200 7 ~ 18 85% ~ 95% 1.1.2 湿凝胶的干燥 凝胶的干燥关键在于将湿凝胶网络中的液体用气体替代，这个过程中应尽量保持凝胶的网络结 构不被破坏，因而干燥方法对凝胶的性质有很大的影响。在干燥过程中，网状凝胶孔隙中的液体开 始蒸发时，由于分子力的作用而产生表面张力，由此产生的毛细管力为： r P 2 L cos (1) 其中，L为气液之间的界面能，θ 为接触角，r 为孔洞的半径。正是这个作用力使得湿凝胶的网络结 构收缩[69]。当凝胶结构的强度不能抵抗液体产生的张力时，就会导致孔隙的收缩和塌陷。目前，避 免这种现象发生最有效的方法是超临界干燥方法[7072]。 超临界干燥：当流体的温度和压力处于其 临界压力和临界温度之上时，则称该流体处于超 临界状态[73]。当流体处于超临界状态时，其区 别于一般流体最大的优势在于其气液界面的消 失。因而，进行超临界干燥可使对孔隙结构有破 坏作用的毛细张力急剧减小甚至消失，从而避免 孔洞的塌陷，保持湿凝胶原有的结构。这种方法 是最普遍的一种干燥方法 (图 7)。 超临界干燥法按交换溶剂的临界温度高低 可分为两类：高温超临界干燥法和低温超临界干 燥法。表 2 列出了几种常用超临界溶剂的临界温 度 (TC) 和临界压力 (PC)。 高温超临界干燥采用的溶剂主要有醇类和 酮类等，这几种溶剂的临界温度都很高 (超过 200C)。采用高温超临界干燥方法进行干燥时，首先 在密闭环境中缓慢地对凝胶进行加热加压，使凝胶骨架间的流体逐渐达到超临界状态，然后再通过 图 7 超临界干燥过程原理示意图[74] Figure 7 The principle of supercritical drying process
章婷等,气凝胶研究进展 第39卷 表2常用超临界溶剂的参数4 Table 2 Parameters of conventional supercritical solvents /241 Solvent Tc/°C Pc/MPa 7.9 Ethanol 243 Acetone 4.7 H 374 22.1 恒温状态下放气的方式缓慢地释放压力,使超临界状态的流体直接转化为气态,并逐渐扩散出凝胶 骨架,最终获得超临界干燥的气凝胶材料。 Koon等人就采用了高温超临界干燥技术制备出了完 整且透明的二氧化硅气凝胶。 虽然高温超临界干燥技术消除了毛细管力对孔结构的破坏作用,但由于操作须在高温高压下进 行,对设备的性能也提出了较高的要求,增加了操作难度。进行溶剂交换的介质均为有机溶剂,不 仅存在一定的毒性,而且存在着易燃易爆的危险。另外,超临界干燥虽然可以得到完整的气凝胶材 料,但是湿凝胶在高温干燥的过程中,凝胶骨架的微观结构会受到一定的影响。 相比而言,低温超临界干燥采用了临界温度较低(低于50°C)的CO2作为介质。制备过程中, CO2无毒且自身不会燃烧,不存在安全隐患,操作安全,制备的气凝胶纯度也非常高。而且,CO2 还可循环利用,在一定程度上节约了资源。但低温超临界干燥比高温超临界干燥多了一个步骤,即 干燥前在5MPa~6MPa、10°C~20°C条件下用CO2交换凝胶中的溶剂,然后再进行干燥。Van Bommel等人网采用低温超临界干燥法成功制备了SiO2气凝胶。 在工业上使用超临界干燥时会面临着设备过于昂贵以及相关生产成本过高等经济问题。同时, 大尺寸样品在生产过程中会明显增加溶剂置换以及超临界干燥过程中泄压所需要的时间。此外,即 使是以CO2作为超临界干燥的介质,其一般要达到80Bar的高压,仍然会使生产过程面临较高的风 险。因此,尽管目前超临界干燥依旧是制备气凝胶时干燥效果最理想的方法,但硏究人员仍在不断 探索更加安全、方便、低廉的干燥方式来获得气凝胶材料。 非超临界干燥:由于超临界干燥对设备要求高、工艺复杂,且实际操作过程中存在着安全隐患, 因此在常压下对气凝胶进行干燥是目前比较热门的硏究课题。常压干燥方法不仅能大大降低成本, 而且能在常温常压下制备出和超临界干燥效果十分接近的气凝胶材料,具有很高的实际应用价值。 因而,目前非超临界干燥技术的主要研究方向是常压干燥-。。 研究人员采用含有惰性基团的硅烷修饰剂如三甲基氯硅烷(TMCS)、甲基三甲氧基硅烷 (MIMS)、甲基三乙氧基硅烷(MIES)、乙烯基三甲氧基硅烷( VTMS)、苯基三甲氧基硅烷(PIMS)、 苯基三乙氧基硅烷(PTES)、二甲基二甲氧基硅烷( DMDMS)等对凝胶骨架进行疏水化修饰后再常 压干燥,可以更好地避免空气中水汽对凝胶骨架的破坏,从而在常压下得到气凝胶材料图(图8) Smith等人閃最先采用常压干燥法来制备SiO2气凝胶。他们采用溶剂置换的方法使凝胶骨架的 液体变为界面张力较低的溶剂,然后对凝胶孔道表面的Si-OH进行修饰,使其无法与空气中的水分 子发生反应,最后将其常压静置24h又加热至50°C处理24h以获得最终气凝胶材料。这种方法与 超临界干燥法相比,气凝胶的比表面积孔结构损失并不明显 相对于超临界干燥而言,常压干燥在保持气凝胶微观结构的冋时也有效地降低了干燥过程的危 险性。但是,常压干燥依然面临着一些问题。例如,要想获得完整的气凝胶材料,其制备条件要求
8 章 婷 等, 气凝胶研究进展 第 39 卷 恒温状态下放气的方式缓慢地释放压力，使超临界状态的流体直接转化为气态，并逐渐扩散出凝胶 骨架，最终获得超临界干燥的气凝胶材料。Kocon 等人[75] 就采用了高温超临界干燥技术制备出了完 整且透明的二氧化硅气凝胶。 虽然高温超临界干燥技术消除了毛细管力对孔结构的破坏作用，但由于操作须在高温高压下进 行，对设备的性能也提出了较高的要求，增加了操作难度。进行溶剂交换的介质均为有机溶剂，不 仅存在一定的毒性，而且存在着易燃易爆的危险。另外，超临界干燥虽然可以得到完整的气凝胶材 料，但是湿凝胶在高温干燥的过程中，凝胶骨架的微观结构会受到一定的影响。 相比而言，低温超临界干燥采用了临界温度较低 (低于 50C) 的 CO2 作为介质。制备过程中， CO2 无毒且自身不会燃烧，不存在安全隐患，操作安全，制备的气凝胶纯度也非常高。而且，CO2 还可循环利用，在一定程度上节约了资源。但低温超临界干燥比高温超临界干燥多了一个步骤，即 干燥前在 5 MPa ~ 6 MPa、10C ~ 20C 条件下用 CO2 交换凝胶中的溶剂，然后再进行干燥。Van Bommel 等人[76]采用低温超临界干燥法成功制备了 SiO2 气凝胶。 在工业上使用超临界干燥时会面临着设备过于昂贵以及相关生产成本过高等经济问题。同时， 大尺寸样品在生产过程中会明显增加溶剂置换以及超临界干燥过程中泄压所需要的时间。此外，即 使是以 CO2作为超临界干燥的介质，其一般要达到 80 Bar 的高压，仍然会使生产过程面临较高的风 险。因此，尽管目前超临界干燥依旧是制备气凝胶时干燥效果最理想的方法，但研究人员仍在不断 探索更加安全、方便、低廉的干燥方式来获得气凝胶材料。 非超临界干燥：由于超临界干燥对设备要求高、工艺复杂，且实际操作过程中存在着安全隐患， 因此在常压下对气凝胶进行干燥是目前比较热门的研究课题。常压干燥方法不仅能大大降低成本， 而且能在常温常压下制备出和超临界干燥效果十分接近的气凝胶材料，具有很高的实际应用价值。 因而，目前非超临界干燥技术的主要研究方向是常压干燥[7780]。 研究人员采用含有惰性基团的硅烷修饰剂如三甲基氯硅烷 (TMCS)、甲基三甲氧基硅烷 (MTMS)、甲基三乙氧基硅烷 (MTES)、乙烯基三甲氧基硅烷 (VTMS)、苯基三甲氧基硅烷 (PTMS)、 苯基三乙氧基硅烷 (PTES)、二甲基二甲氧基硅烷 (DMDMS) 等对凝胶骨架进行疏水化修饰后再常 压干燥，可以更好地避免空气中水汽对凝胶骨架的破坏，从而在常压下得到气凝胶材料[8184] (图 8)。 Smith 等人[85]最先采用常压干燥法来制备 SiO2 气凝胶。他们采用溶剂置换的方法使凝胶骨架的 液体变为界面张力较低的溶剂，然后对凝胶孔道表面的 SiOH 进行修饰，使其无法与空气中的水分 子发生反应，最后将其常压静置 24 h 又加热至 50C 处理 24 h 以获得最终气凝胶材料。这种方法与 超临界干燥法相比，气凝胶的比表面积孔结构损失并不明显。 相对于超临界干燥而言，常压干燥在保持气凝胶微观结构的同时也有效地降低了干燥过程的危 险性。但是，常压干燥依然面临着一些问题。例如，要想获得完整的气凝胶材料，其制备条件要求 表 2 常用超临界溶剂的参数[24] Table 2 Parameters of conventional supercritical solvents [24] Solvent TC / C PC / MPa Methanol 240 7.9 Ethanol 243 6.3 Acetone 235 4.7 H2O 374 22.1 CO2 31 7.3
第1期 《现代技术陶瓷》 Advanced Ceramics,2018,39(1).1-39 Si-O-SiyOH+ CHaSi(OCH3)s O-Si-0-Sio-SICH, +3CH3OH Si+OH -Sito- Si(CH3)3 -O-Si-o-Si OH+3 CISi(CH3)3 -0-s-0-+0-Si(CH)+3HC CH3)3 图8(a)甲基三甲氧基硅烷(MTMS)和(b)三甲基氯硅烷(TMCS)的修饰过程 Figure 8 Modification process of (a)methyltrimethoxysilane(MTMS )and (b) trimethylchlorosilane (Tmcs) 过于苛刻,限制了气凝胶性能的调控:而且对液体挥发速率的严格控制也使得其干燥过程过于漫长 同时凝胶修饰过程产生的强酸性副产物也是需要解决的一个难题。 除了常压干燥之外,采用冷冻干燥也能得到结构较完整的气凝胶材料。冷冻干燥是在低温、 低压下使三维网络中的液体结冰成固态(这种转变可以避免凝胶孔内的液体产生弯曲液面的张力作 用),之后使固态介质直接升华,进一步消除毛细管力,从而实现凝胶的干燥。冷冻干燥是一种新型 的气凝胶干燥技术。通过冷气体对流的方法使其表面温度稳定在一定范围内,能有效地避免干燥时 网络结构的坍塌。但冷冻干燥的成本相对还是偏高,而且冷冻干燥得到的样品多为粉末状。 Ren等人提出了一种利用机溶剂真空升华气凝胶的简便干燥方法(图9),成功得到了不同氧 化物气凝胶材料。首先,将湿凝胶浸泡到低表面张力、易升华、高冰点的有机溶剂(如叔丁醇、乙 腈)中,然后再在真空条件下缓慢干燥。这种方法虽然简便易行,但干燥时间较长,且获得的样品 体积收缩较大,需要进一步加以改进 Smth等人通过将凝胶浸入到溶剂中进行加热,所采用的溶剂自身不能进入凝胶内部,这种 新型的干燥工艺被称为传导干燥。传导干燥受外部溶剂的影响较大,且干燥时其密度会逐渐降低 Solvent substitution i Vacuum Aerogel 图9有机溶剂真空升华干燥示意图 Figure 9 Organic solvent vacuum sublimation drying process
第 1 期 《现代技术陶瓷》 Advanced Ceramics, 2018, 39 (1): 139 9 过于苛刻，限制了气凝胶性能的调控；而且对液体挥发速率的严格控制也使得其干燥过程过于漫长； 同时凝胶修饰过程产生的强酸性副产物也是需要解决的一个难题。 除了常压干燥之外，采用冷冻干燥也能得到结构较完整的气凝胶材料[86]。冷冻干燥是在低温、 低压下使三维网络中的液体结冰成固态 (这种转变可以避免凝胶孔内的液体产生弯曲液面的张力作 用)，之后使固态介质直接升华，进一步消除毛细管力，从而实现凝胶的干燥。冷冻干燥是一种新型 的气凝胶干燥技术。通过冷气体对流的方法使其表面温度稳定在一定范围内，能有效地避免干燥时 网络结构的坍塌。但冷冻干燥的成本相对还是偏高，而且冷冻干燥得到的样品多为粉末状。 Ren 等人[87]提出了一种利用机溶剂真空升华气凝胶的简便干燥方法 (图 9)，成功得到了不同氧 化物气凝胶材料。首先，将湿凝胶浸泡到低表面张力、易升华、高冰点的有机溶剂 (如叔丁醇、乙 腈) 中，然后再在真空条件下缓慢干燥。这种方法虽然简便易行，但干燥时间较长，且获得的样品 体积收缩较大，需要进一步加以改进。 Smith 等人[88]通过将凝胶浸入到溶剂中进行加热，所采用的溶剂自身不能进入凝胶内部，这种 新型的干燥工艺被称为传导干燥。传导干燥受外部溶剂的影响较大，且干燥时其密度会逐渐降低。 图 8 (a) 甲基三甲氧基硅烷 (MTMS) 和 (b) 三甲基氯硅烷 (TMCS) 的修饰过程[81] Figure 8 Modification process of (a) methyltrimethoxysilane (MTMS) and (b) trimethylchlorosilane (TMCS) 图 9 有机溶剂真空升华干燥示意图[87] Figure 9 Organic solvent vacuum sublimation drying process
章婷等,气凝胶研究进展 第39卷 随着干燥的进行,部分胶体会浮在溶剂表面,不利于凝胶的进一步干燥。这种方法与传统的干燥方 法相比,虽然干燥效果较好,但受到加热溶剂的局限,需选择合适的溶剂且需要在加热之前对凝胶 进行一定表面处理,工艺复杂,因此目前很少利用这种方法对气凝胶进行干燥。 研究发现,利用恒沸蒸馏的方法可以脱除SiO2气凝胶中的水份并成功实现对凝胶的干燥。利用 蒸馏干燥不仅能有效减弱颗粒之间的团聚和结块现象,而且蒸馏过程也不会对Si∽气凝胶的网络结 构造成破坏。但这种方法干燥条件比较苛刻,目前很少采用。 总之,干燥过程中保证凝胶骨架完整性是成功制备气凝胶的必要条件,而干燥方法的简便易行 则是大规模应用气凝胶的前提。 1.2无机气凝胶的性能及应用 12.1热学性能 无机气凝胶的主要特征之一是其具有非常低的导热性。以SiO2气凝胶为例,其热导率通常为 0015W(mK1,低于相同环境条件下空气的热导率0025W(mK),因而SiO2气凝胶可用作优异 的绝热温材料,广泛应用于建筑保温,设备保温等。此外,无机氧化物气凝胶是不可燃的,虽 然机械性能较差,如果对其进行机械加固,在制备透明绝缘组件及采光装置上则具有巨大的应用潜 力。另外,SiO2等氧化物气凝胶作为绝热材料越来越多地被应用于航空领域。例如,美国NASA 的火星探测器 Mars Pathfinder最近在执行 Sojourner Mars Rover任务时就使用了气凝胶材料进行保 温,在夜间温度下降到-6η°℃以下时,航天器内部温度能够稳定保持在21°C左右,这样可以保证 其内部的电子设备在外部温度极端低的情况下能正常运作。此外,欧洲研究协调机构( European Research Coordination Agency, EUPECA)的项目 European Retrieval Carrier中同样也使用了气凝胶保 温材料咧。 122光学及光催化性能 SioO2气凝胶的光学透射和散射性质是其另一种重要特征,结合其热性能可制成透明的隔热物体 如窗户(图10)。气凝胶的这种用途首先由 Pajonk提出。尽管某些方向上存在一定程度的散射降 低了光学性能,但SiO2气凝胶的透明度和可见光透射率非常高,例如,以TMOS为前驱体、甲醇为 溶剂制得的SO2气凝胶,在900nm波长范围内透光率可达到93%以上咧 氧化钛材料具有优异的光催化性能,在光催化降解和太阳能电池等领域具有广阔的应用前景, TiO2气凝胶结合了气凝胶的特性和二氧化钛的 催化性能已经被广泛应用于光催化降解对氯苯 酚、对羟基苯甲酸和水杨酸等 123声学性能 SiO2气凝胶的声学特性与其热学性质密切 相关。气凝胶中的声传播取决于凝胶间隙中孔隙 性质及气凝胶密度等。SiO2气凝胶是优异的隔 音材料,由于声波在凝胶网络中传播的过程中波 能量逐渐转移衰减,所以在振幅和速度上都大大 减弱,通过气凝胶的纵向声速通常为100ms量 图10气凝胶保温玻璃 级,这使得SiO2气凝胶非常适用于声学隔音装 Figure 10 Aerogel insulation glass 置
10 章 婷 等, 气凝胶研究进展 第 39 卷 随着干燥的进行，部分胶体会浮在溶剂表面，不利于凝胶的进一步干燥。这种方法与传统的干燥方 法相比，虽然干燥效果较好，但受到加热溶剂的局限，需选择合适的溶剂且需要在加热之前对凝胶 进行一定表面处理，工艺复杂，因此目前很少利用这种方法对气凝胶进行干燥。 研究发现，利用恒沸蒸馏的方法可以脱除 SiO2 气凝胶中的水份并成功实现对凝胶的干燥。利用 蒸馏干燥不仅能有效减弱颗粒之间的团聚和结块现象，而且蒸馏过程也不会对 SiO2 气凝胶的网络结 构造成破坏。但这种方法干燥条件比较苛刻，目前很少采用。 总之，干燥过程中保证凝胶骨架完整性是成功制备气凝胶的必要条件，而干燥方法的简便易行 则是大规模应用气凝胶的前提。 1.2 无机气凝胶的性能及应用 1.2.1 热学性能 无机气凝胶的主要特征之一是其具有非常低的导热性。以 SiO2 气凝胶为例，其热导率通常为 0.015 W·(m·K)1 ，低于相同环境条件下空气的热导率 0.025 W·(m·K)1 ，因而 SiO2 气凝胶可用作优异 的绝热温材料[89]，广泛应用于建筑保温，设备保温等[90]。此外，无机氧化物气凝胶是不可燃的，虽 然机械性能较差，如果对其进行机械加固，在制备透明绝缘组件及采光装置上则具有巨大的应用潜 力[91]。另外，SiO2 等氧化物气凝胶作为绝热材料越来越多地被应用于航空领域[92]。例如，美国 NASA 的火星探测器 Mars Pathfinder 最近在执行 Sojourner Mars Rover 任务时就使用了气凝胶材料进行保 温，在夜间温度下降到 67C 以下时，航天器内部温度能够稳定保持在 21C 左右，这样可以保证 其内部的电子设备在外部温度极端低的情况下能正常运作。此外，欧洲研究协调机构 (European Research Coordination Agency, EUPECA) 的项目 European Retrieval Carrier 中同样也使用了气凝胶保 温材料[93]。 1.2.2 光学及光催化性能 SiO2 气凝胶的光学透射和散射性质是其另一种重要特征，结合其热性能可制成透明的隔热物体， 如窗户[94] (图 10)。气凝胶的这种用途首先由 Pajonk 提出[94]。尽管某些方向上存在一定程度的散射降 低了光学性能，但 SiO2气凝胶的透明度和可见光透射率非常高，例如，以 TMOS 为前驱体、甲醇为 溶剂制得的 SiO2 气凝胶，在 900 nm 波长范围内透光率可达到 93% 以上[95]。 二氧化钛材料具有优异的光催化性能，在光催化降解和太阳能电池等领域具有广阔的应用前景， TiO2 气凝胶结合了气凝胶的特性和二氧化钛的 催化性能已经被广泛应用于光催化降解对氯苯 酚、对羟基苯甲酸[96]和水杨酸[97]等。 1.2.3 声学性能 SiO2 气凝胶的声学特性与其热学性质密切 相关。气凝胶中的声传播取决于凝胶间隙中孔隙 性质及气凝胶密度等。SiO2 气凝胶是优异的隔 音材料，由于声波在凝胶网络中传播的过程中波 能量逐渐转移衰减，所以在振幅和速度上都大大 减弱，通过气凝胶的纵向声速通常为 100 ms 量 级，这使得 SiO2 气凝胶非常适用于声学隔音装 置[98]。 图 10 气凝胶保温玻璃 Figure 10 Aerogel insulation glass