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摘要：SiO2气凝胶独特的结构使其具有不同于一般材料的热传导方式。本文分析了SiO2气凝胶热传导途径并提出了降低SiO2气凝胶导热系数的方法，同时归纳了SiO2气凝胶作为超级绝热材料应用于隔热保温领域的一些研究进展及应用前景。
关键词：SiO2气凝胶 热传导 隔热材料
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1. 引言
全球工业化飞速发展所伴随的能源危机和环境问题，对世界经济和人类生存的威胁日趋严重，因此研究开发和应用新型绝热材料对于实现国家节能减排目标具有迫切必要性和现实重大社会和经济意义。而SiO2气凝胶是一种具有低密度、高孔隙率、低热导率的纳米轻质多孔材料，它优异的隔热保温性能对于能源领域的节能环保提供了重要的发展契机。
2. SiO2气凝胶的热特性
由于SiO2气凝胶的纳米尺度颗粒和孔隙，以及连续的空间网络结构，它具有很低的热导率；而材料的热传导主要通过对流、辐射、热传导三种方式来实现，因此需要从材料的传热途径入手降低它的导热系数。
2.1 SiO2气凝胶的热传导途径
导热系数是衡量绝热材料性能优劣的主要指标。大部分绝热材料的热传导主要通过气体的对流传导、气相热传导、固相热传导、红外辐射传热四种途径实现。
在SiO2气凝胶纳米空隙中的气体和固体颗粒表面之间的热传输中，因为紧靠固体表面的气体静止不动或者做层流运动，所以在固体－气体表面热量输运的机理本质上是属于传导类型。在纳米级结构的SiO2气凝胶中，气体往往被分隔或封闭在无数微小空间之内，因此对流传热量所占比例很小。一般来说材料的孔尺寸小于1mm时，对流引起的热传导可以忽略，而气凝胶孔径多分布在5~50nm之间，所以不考虑对流传热的影响。
按照分子运动及碰撞理论，气体传递能量主要通过较高温度高速运动的分子与较低温度低速运动的分子碰撞实现。由于SiO2气凝胶中的微孔尺寸小于空气中占主要成分的氮气和氧气的自由程70nm，气体分子频繁地与凝胶骨架碰撞，熱能转移到气凝胶的结构上，从而气相传导受到限制，SiO2气凝胶得到比无对流空气更小的导热系数。
2.2 降低气凝胶导热系数的方法
气凝胶的导热系数与密度有着密切的联系，J.Fricke等[1]由固相热导率、气相热导率及辐射热导率随密度变化的关系曲线拟合出气凝胶热导率随密度变化曲线。结果表明，当SiO2气凝胶的密度在0.1 g/cm3时，从理论上来说导热系数取得最小值，对此同济大学的沈军、王际超等 [2]对此进行了验证。以水玻璃为硅源，酸碱两步催化法分别制得密度为0.068 g/cm3和0.096 g/cm3的SiO2气凝胶，结果表明，密度为0.068 g/cm3的SiO2气凝胶导热系数为0.03058W/m·K，而密度为0.096 g/cm3的SiO2气凝胶导热系数为0.02916 W/m·K。
（一）降低气相传导导热系数的方法
气相传导是SiO2气凝胶导热的主要部分。降低气相热传导的主要方式是减小气凝胶的孔径。气凝胶的密度增大会使凝胶内部平均孔径减小，但却使气凝胶的固相传热增大。因此，通过获得更窄的气凝胶内部孔径分布可以更有效地降低其气相热导率。孔的大小可以通过控制凝胶过程中固体相互交联粒子的大小来实现。
（二）降低固相热导率的方法
气凝胶的密度决定了其固相热导率，因此必须通过降低气凝胶的密度从而降低气凝胶的固相热导率，但同时会对材料本身的机械强度产生不利；并且气凝胶密度降低会使其平均孔径增大，反过来又增大了气相热导率。所以通过降低密度来降低其热导率存在一个最佳密度。
（三）降低辐射传热热导率的方法
高温状态下的气凝胶，热传导主要方式是热辐射。而气凝胶孔隙尺寸远小于红外光波长时，热辐射的降低只与红外吸收有关。在气凝胶中添加红外遮光剂（如碳黑、TiO2等），可以大大降低由红外热辐射引起的热传导作用。添加遮光剂的气凝胶，其粉末状在室温常压热导率达到0.018W/m·K；块状在室温常压下的热导率达到0.012 W/m·K；并真空中达到0.004 W/m·K。
3. SiO2气凝胶在保温隔热领域的应用
气凝胶的独特结构及低热导率、低密度的特性决定其最重要的应用之一是作为超级隔热材料，广泛应用于国防工业、化工、冶金等工业管道以及家用电冰箱、电饭煲的保温隔热。
SiO2气凝胶以其良好的热绝缘性和透明性，可广泛应用于各种特殊的窗口隔热体系。Kim等[3]制备的玻璃表面气凝胶薄膜在厚度达到100μm的时，具有良好的保温效果。SiO2气凝胶窗的开发研究已在德国、英国等数家公司开展，预计SiO2气凝胶窗具有广阔的市场前景。SiO2气凝胶还可以用作节能墙材，提高节能效率。目前国内高层建筑保温隔热材料大多采用聚苯乙烯泡沫板类、聚氨酯泡沫塑料类保温板，耐老化性差，易燃高温下放出有毒气体；而SiO2气凝胶隔热复合材料用于建筑高层保温防火可以延长防火时间，绿色安全，不会释放出有毒气体，可以作高效隔热保温材料。
SiO2气凝胶也被用作太阳能集热器中的透明隔热材料和太阳能房子的节能材料。而且还可用作冰箱等低温系统的隔热材料，避免了氟利昂作为隔热材料制成的冰箱工作时所释放出大量的氟利昂气体从而破坏大气臭氧层的危险。与传统绝热材料相比，纳米多孔SiO2气凝胶材料具有更轻的质量，更小的体积，更高的绝热温度，使其成为航天航空器上理想的隔热层。例如飞机上记录飞行状况数据的黑匣子已用该材料作为隔热层[3]，英国“美洲豹”战斗机的机舱隔热层采用的也是该材料。在国内我们也已将该材料成功应用于高能粒子加速器上，而且还可用该材料制作宇航服。
SiO2气凝胶除了直接用于隔热材料外，还可掺入其他的金属制成保温膜。倪星元等[4]以聚酞亚胺作为骨架，镀上金属铝膜，与SiO2气凝胶复合成保温隔热薄膜。当薄膜叠加到10层时其保温隔热效果可提高5倍。
4. 结束语
SiO2气凝胶作为一种新型高效隔热材料，在众多方面显示出广阔的应用前景，并随着人们对其性质了解的深入和制备工艺的完善，必然会在未来的材料世界中占得一席之地，并发挥重要的作用。
参考文献：
[1]Fricke J,Tillotson T.Aerogels:production.characterization.and applications.Thin Solid Films[M],1997,297;212
[2]冯坚，高庆福，冯军宗等. SiO2气凝胶隔热复合材料性能及应用研究进展[J].纳米复合材料，2010，11(6):65一69
[3]倪星元，程银兵，马建华等. SiO2气凝胶柔性保温隔热薄膜[J].功能材料，2003，34(6):725一727
关键词：SiO2气凝胶 热传导 隔热材料
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1. 引言
全球工业化飞速发展所伴随的能源危机和环境问题，对世界经济和人类生存的威胁日趋严重，因此研究开发和应用新型绝热材料对于实现国家节能减排目标具有迫切必要性和现实重大社会和经济意义。而SiO2气凝胶是一种具有低密度、高孔隙率、低热导率的纳米轻质多孔材料，它优异的隔热保温性能对于能源领域的节能环保提供了重要的发展契机。
2. SiO2气凝胶的热特性
由于SiO2气凝胶的纳米尺度颗粒和孔隙，以及连续的空间网络结构，它具有很低的热导率；而材料的热传导主要通过对流、辐射、热传导三种方式来实现，因此需要从材料的传热途径入手降低它的导热系数。
2.1 SiO2气凝胶的热传导途径
导热系数是衡量绝热材料性能优劣的主要指标。大部分绝热材料的热传导主要通过气体的对流传导、气相热传导、固相热传导、红外辐射传热四种途径实现。
在SiO2气凝胶纳米空隙中的气体和固体颗粒表面之间的热传输中，因为紧靠固体表面的气体静止不动或者做层流运动，所以在固体－气体表面热量输运的机理本质上是属于传导类型。在纳米级结构的SiO2气凝胶中，气体往往被分隔或封闭在无数微小空间之内，因此对流传热量所占比例很小。一般来说材料的孔尺寸小于1mm时，对流引起的热传导可以忽略，而气凝胶孔径多分布在5~50nm之间，所以不考虑对流传热的影响。
按照分子运动及碰撞理论，气体传递能量主要通过较高温度高速运动的分子与较低温度低速运动的分子碰撞实现。由于SiO2气凝胶中的微孔尺寸小于空气中占主要成分的氮气和氧气的自由程70nm，气体分子频繁地与凝胶骨架碰撞，熱能转移到气凝胶的结构上，从而气相传导受到限制，SiO2气凝胶得到比无对流空气更小的导热系数。
2.2 降低气凝胶导热系数的方法
气凝胶的导热系数与密度有着密切的联系，J.Fricke等[1]由固相热导率、气相热导率及辐射热导率随密度变化的关系曲线拟合出气凝胶热导率随密度变化曲线。结果表明，当SiO2气凝胶的密度在0.1 g/cm3时，从理论上来说导热系数取得最小值，对此同济大学的沈军、王际超等 [2]对此进行了验证。以水玻璃为硅源，酸碱两步催化法分别制得密度为0.068 g/cm3和0.096 g/cm3的SiO2气凝胶，结果表明，密度为0.068 g/cm3的SiO2气凝胶导热系数为0.03058W/m·K，而密度为0.096 g/cm3的SiO2气凝胶导热系数为0.02916 W/m·K。
（一）降低气相传导导热系数的方法
气相传导是SiO2气凝胶导热的主要部分。降低气相热传导的主要方式是减小气凝胶的孔径。气凝胶的密度增大会使凝胶内部平均孔径减小，但却使气凝胶的固相传热增大。因此，通过获得更窄的气凝胶内部孔径分布可以更有效地降低其气相热导率。孔的大小可以通过控制凝胶过程中固体相互交联粒子的大小来实现。
（二）降低固相热导率的方法
气凝胶的密度决定了其固相热导率，因此必须通过降低气凝胶的密度从而降低气凝胶的固相热导率，但同时会对材料本身的机械强度产生不利；并且气凝胶密度降低会使其平均孔径增大，反过来又增大了气相热导率。所以通过降低密度来降低其热导率存在一个最佳密度。
（三）降低辐射传热热导率的方法
高温状态下的气凝胶，热传导主要方式是热辐射。而气凝胶孔隙尺寸远小于红外光波长时，热辐射的降低只与红外吸收有关。在气凝胶中添加红外遮光剂（如碳黑、TiO2等），可以大大降低由红外热辐射引起的热传导作用。添加遮光剂的气凝胶，其粉末状在室温常压热导率达到0.018W/m·K；块状在室温常压下的热导率达到0.012 W/m·K；并真空中达到0.004 W/m·K。
3. SiO2气凝胶在保温隔热领域的应用
气凝胶的独特结构及低热导率、低密度的特性决定其最重要的应用之一是作为超级隔热材料，广泛应用于国防工业、化工、冶金等工业管道以及家用电冰箱、电饭煲的保温隔热。
SiO2气凝胶以其良好的热绝缘性和透明性，可广泛应用于各种特殊的窗口隔热体系。Kim等[3]制备的玻璃表面气凝胶薄膜在厚度达到100μm的时，具有良好的保温效果。SiO2气凝胶窗的开发研究已在德国、英国等数家公司开展，预计SiO2气凝胶窗具有广阔的市场前景。SiO2气凝胶还可以用作节能墙材，提高节能效率。目前国内高层建筑保温隔热材料大多采用聚苯乙烯泡沫板类、聚氨酯泡沫塑料类保温板，耐老化性差，易燃高温下放出有毒气体；而SiO2气凝胶隔热复合材料用于建筑高层保温防火可以延长防火时间，绿色安全，不会释放出有毒气体，可以作高效隔热保温材料。
SiO2气凝胶也被用作太阳能集热器中的透明隔热材料和太阳能房子的节能材料。而且还可用作冰箱等低温系统的隔热材料，避免了氟利昂作为隔热材料制成的冰箱工作时所释放出大量的氟利昂气体从而破坏大气臭氧层的危险。与传统绝热材料相比，纳米多孔SiO2气凝胶材料具有更轻的质量，更小的体积，更高的绝热温度，使其成为航天航空器上理想的隔热层。例如飞机上记录飞行状况数据的黑匣子已用该材料作为隔热层[3]，英国“美洲豹”战斗机的机舱隔热层采用的也是该材料。在国内我们也已将该材料成功应用于高能粒子加速器上，而且还可用该材料制作宇航服。
SiO2气凝胶除了直接用于隔热材料外，还可掺入其他的金属制成保温膜。倪星元等[4]以聚酞亚胺作为骨架，镀上金属铝膜，与SiO2气凝胶复合成保温隔热薄膜。当薄膜叠加到10层时其保温隔热效果可提高5倍。
4. 结束语
SiO2气凝胶作为一种新型高效隔热材料，在众多方面显示出广阔的应用前景，并随着人们对其性质了解的深入和制备工艺的完善，必然会在未来的材料世界中占得一席之地，并发挥重要的作用。
参考文献：
[1]Fricke J,Tillotson T.Aerogels:production.characterization.and applications.Thin Solid Films[M],1997,297;212
[2]冯坚，高庆福，冯军宗等. SiO2气凝胶隔热复合材料性能及应用研究进展[J].纳米复合材料，2010，11(6):65一69
[3]倪星元，程银兵，马建华等. SiO2气凝胶柔性保温隔热薄膜[J].功能材料，2003，34(6):725一727