气凝胶调研报告1. 目的了解气凝胶的基本信息、研究现状、应用现状以及国内相关厂家的信息，寻找其在功能玻璃上的应用。
2. 气凝胶概述2.1 气凝胶的概念凝胶（gel）指的是溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子在一定条件下互相连接，形成空间网状结构，结构空隙中充满了液体作为分散介质的特殊分散体系[1]。
气凝胶（aerogel）指的是当凝胶脱去大部分溶剂，凝胶中液体含量比固体含量少得多，或者凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体时，即湿凝胶中液体被气体取代同时保持网络结构，外表呈现固体状的物质称为气凝胶，一般又称为干凝胶（xerogel）[2]。
但是从严格的定义上来讲，气凝胶与干凝胶并非同一概念。
有文献指出，湿凝胶经过超临界干燥得到的是气凝胶，经过常压干燥得到的是干凝胶；气凝胶是块状结构，而干凝胶一般是粉体或者颗粒[3]。
图1 气凝胶2.2 气凝胶的发展气凝胶最早问世于1931年，由美国斯坦福大学的Samuel Stephens. Kistler[4]利用溶胶凝胶法结合超临界干燥技术水解水玻璃的方法制备出具有完整网络结构的硅气凝胶，同时研究了硅气凝胶的性质，并预言气凝胶在催化、隔热、玻璃和陶瓷等领域的应用，但是由于受到制备工艺的限制，并未得到人们的足够重视。
1966年，J. B. Peri[5]利用硅脂经一步溶胶凝胶法制备出氧化硅气凝胶，推动了气凝胶的发展。
1974年粒子物理学家Cantin[6]等首次报道了较SiO2气凝胶应用于切伦科夫探测器探测高能粒子。
80年代，Tewari[7]对湿凝胶的干燥工作进行研究，推动了硅气凝胶的商业化过程。
国内最早于1955年，由同济大学波尔固体物理研究所对气凝胶展开研究。
随后，清华大学、东华大学等高校也对气凝胶展开研究。
2.3 气凝胶的分类按其组分，气凝胶可分为单组分气凝胶，如SiO2、Al2O3、TiO2、炭气凝胶（有机气凝胶炭化后得到）等；多组分气凝胶，如SiO2/Al2O3、SiO2/TiO2等。
目前研究最广泛、深入的气凝胶是单组分的SiO2气凝胶和炭气凝胶；其中以SiO2气凝胶的应用最为广泛[8]；炭气凝胶由于制备工艺复杂、原料昂贵、生产周期长等，产业化困难、市场难以接受[3]。
2.4 SiO2气凝胶的性质气凝胶也具有凝胶的性质，即膨胀作用、触变作用、离浆作用。
另外，气凝胶还具有以下性质[9, 10]：1)极高的孔隙率：孔隙率可高达99.8%，如果将1立方厘米的气凝胶拆开，可将一个足球场填满；2)纳米级空隙（~20nm）、三维纳米骨架颗粒（2~5nm）；3)高比表面积，可高达1000m2/g；4)低密度，可低至0.003g/cm3，仅为空气密度的2.75倍，作为世界最轻的固体，已入选吉尼斯世界纪录；5)极低的热导率，常温下可低至0.013W/（m·K），比空气的热导系数还低；6)强度低，脆性大，添加颗粒、纤维等增强体可以提高强度和韧性。
表1给出了SiO2气凝胶的性能参数。
表1 SiO2气凝胶的性能参数[1]热导率25℃、1atm下为0.02W/（m·K），固体物质中热导率最低的物质使用温度-273~650℃密度可低至0.003kg/m3比表面积可高达1000m2/g以上孔径尺寸1~100nm胶体颗粒尺寸1~100nm声学性能100m/s，添加纤维可大大提高隔音性能防火性A1级（最高级）折射率可低至1.025，接近空气介电常数超低的固体介电常数，<1.1综上，SiO2气凝胶是一种具有极低折射率、热导率、介电常数、高比表面积、对气体选择透过的、具有独特结构的纳米多孔网络结构的轻质材料。
2.5 气凝胶的制备气凝胶的制备一般包括溶胶-凝胶法制备湿凝胶和凝胶的干燥的两个过程，如图2所示。
图2 气凝胶的制备工艺过程溶胶-凝胶法制备湿凝胶[11, 16]：以无机物或金属醇盐作为前驱体，将前驱体溶于溶剂中，形成均匀的溶液，并进行水解或醇解缩合反应，胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶。
凝胶形成后，还需要进行老化，使溶液中溶胶离子和小凝胶团簇仍将继续和骨架上的悬挂基团反应、交联，进而形成整个凝胶网络。
凝胶的干燥[8,12~14]：目前SiO2气凝胶的干燥方法包括超临界干燥和常压干燥两种方式。
1.超临界干燥：高于液体的临界温度和临界气压的条件下去除湿凝胶中的液体，可以减少毛细管压力的影响，避免凝胶发生收缩和碎裂。
然而超临界干燥反应条件苛刻，且具有一定的危险性。
该法可制备获得整块的气凝胶材料。
2.常压干燥：在常压下对湿凝胶进行干燥，反应过程耗能小、操作简单、价格低，但是该过程中的毛细管效应容易造成气凝胶网络的坍塌，因此，该法制备的气凝胶材料多为粉末状。
目前研究中多采用老化措施，增强网络骨架，防止干燥时网络骨架的相邻羟基发生不可逆缩聚而引起的凝胶网络收缩。
2.6 SiO2气凝胶的改性一般情况下，由于SiO2气凝胶表面存在大量亲水性基团硅羟基，在空气中容易吸水，同时反应交联形成结合力较强的硅氧键，使得分子键活动空间狭小，导致气凝胶的强度和韧性低[15]。
这就需要通过在制备过程中改进制备工艺条件或加入添加剂等方法来改善SiO2气凝胶的性能特征。
目前主要集中在疏水化改性和掺杂型改性两方面。
表2 SiO2气凝胶改性方法[11]2.7 气凝胶的应用由于气凝胶具有极低的折射率、热导率、介电常数、高比表面积、对气体选择透过等，因此它在力学、声学、热学、光学、电学性质方面都明显地不同于普通材料，是一种具有许多奇异性质和广泛应用的轻质纳米多孔性材料。
其应用如表3所示。
表3 气凝胶的应用[3, 10, 17]3. 气凝胶的市场状况3.1 气凝胶的研究及应用现状目前国际上关于气凝胶材料的研究工作主要集中在德国的维尔茨堡大学、劳伦兹·利物莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室、日本高能物理国家实验室、BASF公司、美国阿斯彭气凝胶技术有限公司。
国内主要集中在同济大学波尔固体物理实验室、浙江绍兴纳诺高科股份有限公司、广东埃力生高新科技有限公司、上海美乔科材料科技有限公司等。
气凝胶全球重点的发展区域主要集中在美国、德国、英国，其中依托强大的技术开发实力和新产品开发力度，美国的应用领域尤为突出和领先。
美国已经成功将气凝胶应用于航天航空、新能源、建筑以及高级体育用品等方面。
我国气凝胶研究和开发方面尚属早期阶段，主要集中在高附加值的航空航天、医药等方面。
表4 气凝胶的应用现状[18-27]3.2 国内气凝胶厂家表5 国内主要气凝胶厂家介绍气凝胶玻璃诞生于1977年日内瓦欧洲核研究中心，随后瑞典卢捷克大学继续研制[28]。
气凝胶玻璃在外形、透明度和色彩方面与普通玻璃无异，但它具有较高的透光性和超级绝热性能[29]。
气凝胶玻璃主要可分为三种形式：气凝胶涂膜玻璃、整块状气凝胶玻璃和颗粒气凝胶填充玻璃。
表6 气凝胶玻璃介绍[30]4. 总结气凝胶是一种具有极低折射率、热导率、介电常数、高比表面积、对气体选择透过的、具有独特结构的纳米多孔网络结构的轻质材料。
气凝胶一般用于绝热、隔热材料，隔音材料，催化剂，吸附剂；在新能源方面，例如新型电池、储氢材料也有所应用。
参考文献[1]/link?url=NCHvL399LrbEC0CcVh70pe4jFtz5Lh5yJd5oHJyodY8XZht ekiOcQ0wR-y9POr8qu0_Ip8TBgoDbcJsgNvDGGL0sGRClSZ3csUwbRboEq23[2]/link?url=l0a7MwuXv8GuWDPcTCvDKXDcTC8xF8arZ2NJHks6IWO FKvUY0dU6NIq4LhQbJft2vrXcUtgDHAukCjA3eUOPPmVidEM2K8Gx2di9QOvLZg1Q-I3BBz 7huNjqGsZTb7-d[3] /content/11/0418/19/3317545_110582157.shtml[4] KistlerS S. Coherent Expanded Aerogels and Jellies[J]. Nature, 1931, 127: 741.[5] Peri J. Infrared study of OH and NH2groups on the surface of a dry silica aerogel[J]. The Journal of Physical Chemistry, 1966, 70(9): 2937-2945.[6] CantinM, CasseM, KochL, et al. Silica aerogels used as Cherenkov radiators[J]. Nuclear Instruments and Methods, 1974, 118(1): 177-182.[7] TewariP H, HuntA J, LofftusK D. Ambient-temperature supercritical drying of transparent silica aerogels[J]. Materials Letters, 1985, 3(9): 363-367.[8] /news/show-16160.html[9]/link?url=5iklGA0rJ5rJDjr3xA71H34H9sduM_QUyIgID5WEAYqUR6M os9fX4dDbzYfna9JE_vHm5iqf1meghK91Wa_NkonziT6qalJbcwV7ja15dAi[10]/link?url=YqRuHy9tFOfUYp7WyV9XS2U7K6G7_tXR0CZlefJponPUJLn j6eIFYZmNI6TfQOSllIWo3J1NfMP1It8bFBrbUfRUFJ6ZjYj-2VN-Okz-J-G[11] 丁娇娥, 基于SiO2气凝胶的自清洁材料的制备和表征, 东华大学硕士学位论文, 2015, 01[12]Li-HuaC L-W G, Xiu-HongH. Preparation of Silica Aerogels via Non-supercritical Drying and Their Formation Process [J]. ActaPhysico-chimica Sinica, 2003, 9: 007.[13] GrossJ, ReichenauerG, FrickeJ. Mechanical properties of SiO2aerogels[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 1988, 21(9): 1447.[14] H reidS, Erson J, EinarsrudM, et al. Thermal and temporal aging of TMOS-based aerogel precursors in water[J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 1995, 185(3): 221-226.[15] VenkateswaraRaoA, BhagatS D, HirashimaH, et al. Synthesis of flexible silica aerogels usingmethyltrimethoxysilane (MTMS) precursor[J]. Journal of colloid and interface science, 2006, 300(1): 279-285.[16] /html/2016/0324/38582724.shtm[17] /news/science/2016-02-15/1514.html[18] 南洋理工大学, CN105579403 A, 高孔隙度气凝胶, 2014.07.01[19] 南京纳世新材料有限责任公司, CN104997589 A, 气凝胶防噪音耳塞, 2015.07.30[20] 苏州市牛勿耳关电器科技有限公司, CN103743297 A, 一种气凝胶炸弹, 2013.12.31[21] 卡伯特公司, CN101124371 A, 含气凝胶的垫层, 2005.12.12[22] 斯攀气凝胶公司, CN105189104 A, 气凝胶绝缘面板及其制造, 2014.03.10[23] 南京倍立达新材料系统工程股份有限公司, CN104805921 A, 气凝胶复合GRC保温隔音板, 2015.04.15[24] 比亚迪股份有限公司, CN103171177 A, 一种复合气凝胶及其制备方法, 2011.12.26[25] 广东埃力生高新科技有限公司, CN102584162 A, 一种一元或多元气凝胶隔热材料及其制备方法, 2012.02.20[26] 广东埃力生高新科技有限公司, CN103195985 A, 具有多层符合隔热结构的疏松管道, 2013.04.08[27] 广东埃力生高新科技有限公司, CN103965505 A, 具有抗红外辐射特性的聚酰亚胺气凝胶及其制备方法, 2014.05.15[28] 范恩荣. 超轻气凝胶玻璃[J]. 科技信息, 1996,(2): 14.[29] 冯晶琛, 丁云飞, 吴会军. 不同类型玻璃在北京地区的节能研究[J]. 建筑节能, 2012, (5): 50-53.。