二氧化硅氣凝膠是一種合成的無定形硅膠，與結(jié)晶硅膠顯著不同。硅膠分子由一個(gè)硅原子和兩個(gè)氧原子構(gòu)成。如下圖所示，硅膠有兩種基本形式：無定形硅膠和結(jié)晶硅膠。如果硅膠分子排列整齊并且形成可重復(fù)樣式，則為結(jié)晶硅膠。如果硅膠分子排列不整齊，則為無定形硅膠。
二氧化硅氣凝膠又被稱作“藍(lán)煙”、“固體煙”，是目前已知的最輕的固體材料，也是迄今為止保溫性能最好的材料。因其具有納米多孔結(jié)構(gòu)（1~100nm）、低密度（3~250kg/m3）、低介電常數(shù)（1.1~2.5）、低導(dǎo)熱系數(shù)（0.013~0.025W/(m·k)）、高孔隙率（80~99.8%）、高比表面積（500~1000m2/g）等特點(diǎn)，在力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等諸方面顯示出獨(dú)特性質(zhì)，在航天、軍事、石油、化工、礦產(chǎn)、通訊、醫(yī)用、建材、電子、冶金等眾多領(lǐng)域有著廣泛而巨大的應(yīng)用價(jià)值，被稱為“改變世界的神奇材料”。
二氧化硅氣凝膠
一、熱學(xué)特性及其應(yīng)用
1、二氧化硅氣凝膠熱學(xué)特性
氣凝膠的納米多孔結(jié)構(gòu)使它具有極佳的絕熱性能，其熱導(dǎo)率甚至比空氣還要低，空氣在常溫真空狀態(tài)下的熱導(dǎo)率為0.026W/(m·k)，而氣凝膠在常溫常壓下的熱導(dǎo)率一般小于0.020W/(m·k)，在抽真空的狀態(tài)下，熱導(dǎo)率可低至0.004W/(m·k)。
氣凝膠之所以具有如此良好的絕熱特性與它的高孔隙率有關(guān)。熱量的傳導(dǎo)主要通過三種途徑來進(jìn)行，氣體傳導(dǎo)，固體傳導(dǎo)，輻射傳導(dǎo)。在這三種方式中，通過氣體傳導(dǎo)的熱量是很小的，因此大部分氣體都具有非常低的熱導(dǎo)率。常用的絕熱材料都是多孔結(jié)構(gòu)，其正是利用了空氣占據(jù)了固體材料的一部分體積，從而降低了材料整體的熱導(dǎo)率。氣凝膠的孔隙率比普通絕熱材料要大得多，其95%以上都是由空氣構(gòu)成，決定了其將具有與空氣一樣低的熱導(dǎo)率。而且氣凝膠中包含大量孔徑小于70nm的孔，70nm是空氣中主要成分氮?dú)夂脱鯕獾淖杂沙蹋怏w分子兩次碰撞之間的時(shí)間內(nèi)經(jīng)過的路程的統(tǒng)計(jì)平均值），因此意味著空氣在氣凝膠中將無法實(shí)現(xiàn)對(duì)流，使得氣態(tài)熱導(dǎo)率進(jìn)一步降低。氣凝膠中含量極少的固體骨架也是由納米顆粒組成，其接觸面積非常小，使得氣凝膠同樣具有極小的固態(tài)熱導(dǎo)率。氣凝膠的熱輻射傳導(dǎo)主要為發(fā)生在3-5μm區(qū)域內(nèi)的紅外熱輻射，其在常溫下能夠有效的阻擋紅外熱輻射，但隨著溫度的升高，紅外熱輻射透過性增強(qiáng)。為了進(jìn)一步降低高溫紅外熱輻射，通常向氣凝膠中加入遮光劑，如碳黑、二氧化鈦等，遮光劑的使用能夠大大降低高溫下的紅外熱輻射。
2、二氧化硅氣凝膠應(yīng)用
SiO2氣凝膠作為一種納米孔超級(jí)絕熱材料，除具有極低的熱導(dǎo)率之外還具有超輕質(zhì)以及高熱穩(wěn)定性的特性，它在工業(yè)、民用、建筑、航天及軍事等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。
1）、傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域
如石化行業(yè)、化工行業(yè)、冶金行業(yè)等等，管道、爐窯及其它熱工設(shè)備普遍存在，用氣凝膠隔熱材料替代傳統(tǒng)的保溫材料，節(jié)能效果明顯。 ?太陽(yáng)能利用 ? 具有高度透光率及低熱導(dǎo)率的氣凝膠對(duì)入射光幾乎沒有反射損失，能有效地透過太陽(yáng)光，因此氣凝膠特別適合于用作太陽(yáng)能集熱器及其它集熱裝置的保溫隔熱材料，當(dāng)太陽(yáng)光透過氣凝膠進(jìn)入集熱器內(nèi)部，內(nèi)部系統(tǒng)將太陽(yáng)光的光能轉(zhuǎn)化為熱能，氣凝膠又能有效阻止熱量流失。
2）、節(jié)能建筑
由于氣凝膠既具有絕熱特性，又具有吸聲特性，且具有透光性，因此可以將氣凝膠夾在雙層玻璃之間制成夾芯玻璃，其絕熱效果比普通的雙層玻璃高幾倍，且具有降噪效果。將這種玻璃用于房屋的窗戶，可以大大降低熱量流失，有明顯的節(jié)約能源的作用，以氣凝膠為夾層的窗玻璃的熱損失率比目前最好的窗系（氫氣充填并用低發(fā)射率的銦氧化物或銀作涂層）還要減少三分之二。如果將氣凝膠玻璃用于高層建筑取代一般幕墻玻璃，將大大減輕建筑物自重，并能起到防火作用。
3）、航空航天
與傳統(tǒng)隔熱材料相比，SiO2氣凝膠隔熱材料可以用更輕的質(zhì)量、更小的體積達(dá)到更好的隔熱效果，這一特點(diǎn)在航空、航天應(yīng)用領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢(shì)。 ?氣凝膠可以作為飛機(jī)上使用的隔熱消音材料。據(jù)報(bào)道，航天飛機(jī)及宇宙飛船在重返大氣層時(shí)要經(jīng)歷數(shù)千攝氏度的白熾高溫，保護(hù)其安全重回地球的絕熱材料正是SiO2氣凝膠。美國(guó)NASA在“火星流浪者”的設(shè)計(jì)中，使用了SiO2氣凝膠作為保溫層,用來抵擋火星夜晚的超低溫。
4）、軍事領(lǐng)域
SiO2氣凝膠可作為飛機(jī)機(jī)艙的隔熱層材料?？梢宰鳛楹藵撏?、蒸汽動(dòng)力導(dǎo)彈驅(qū)逐艦的核反應(yīng)堆、蒸發(fā)器、鍋爐以及復(fù)雜的高溫蒸汽管路系統(tǒng)的高效隔熱材料，可以增強(qiáng)隔熱效果，降低艙內(nèi)溫度,同時(shí)有效降低隔熱材料的用量,增大艙內(nèi)的使用空間，有效改善各種工作環(huán)境。
5）、家電
用塊狀、顆粒狀或粉末狀的氣凝膠取代氟里昂發(fā)制的聚氨酯泡沫作為冰箱等低溫系統(tǒng)的隔熱材料，可以防止氟里昂氣體泄漏破壞大氣臭氧層，從而保護(hù)人類的生存環(huán)境。
6）、服裝
將二氧化硅氣凝膠作為冬季保暖服裝的襯料可以使服裝既輕質(zhì)又保暖。
