气凝胶是一种出色的隔热材料，但在现实应用中，很多环境并不干燥：建筑外墙长期暴露在潮湿空气中，冷链包装经历冷热交替，航空器外壳在高空遇到凝露，甚至穿在身上的隔热衣服也逃不开“出汗”这个问题。
这些湿气，可能是气凝胶最大的“隐形对手”。
水汽会渗入气凝胶内部吗？气凝胶在潮湿环境下还能保温吗？它的热导率会改变吗？ 这篇文章，我们就来讲讲“湿气入侵”下气凝胶的热质协同变化。
一、水汽如何影响气凝胶的绝热性能？
纯净的气凝胶之所以绝热，是因为：
- 空气被封锁在纳米孔中，难以对流；
- 骨架稀疏，固体导热路径被打断；
- 孔隙中为低导热气体（如空气、N₂）。
但当空气中水分子渗入这些孔隙，就会引发一系列变化：
1. 水的热导率比空气高得多
- 空气热导率 ≈ 0.026 W/m·K
- 水的热导率 ≈ 0.6 W/m·K
当孔隙被水填充后，相当于“高导热材料”替代了“低导热气体”，整体热导率上升。
2. 凝结水导致孔内液桥形成
水在孔内形成液桥，连接了骨架之间的“热断点”，形成新的热传导通路，降低隔热效果。
3. 结构吸湿后塌陷或压实
某些气凝胶（如未改性的SiO₂）吸湿后骨架会收缩、软化，结构密度变高，热扩散更快。
二、水气进入的路径与方式
- 扩散吸附：水分子以气态形式进入孔道，并与表面形成氢键吸附；
- 毛细凝结：在纳米孔内，当湿度足够高时，水汽在孔中凝结为液态（水桥效应）；
材料本身亲水性决定渗透速率：
- 亲水型气凝胶（如纯硅气凝胶）容易吸湿；
- 疏水改性气凝胶（如表面甲基化）对水汽有天然排斥力，可显著延缓性能衰减。
三、湿气影响下的热-质协同变化
1. 热导率随湿度快速上升
有实验表明，硅基气凝胶在湿度从0% → 80%时，其热导率可从 0.015 提高到约 0.05 W/m·K。
2. 水分在气凝胶中迁移具有滞后性
水分进入后，迁移过程受限于孔道结构，表现为非线性吸附过程，局部含水率不均，造成热斑或热短路。
3. 动态环境下“冷热循环”加剧劣化
冷凝—干燥—再冷凝的循环过程，会导致气凝胶：
- 骨架疲劳破碎；
- 微孔塌陷；
- 结构劣化不可逆。
四、应对湿气挑战的材料设计策略
- 表面疏水改性
- 最常用方法，通过硅烷、氟化物等改性骨架表面，使其拒水不吸湿。
- 复合防水层设计
- 将气凝胶与高阻水膜、多孔泡沫、树脂膜复合，形成“隔热-拒湿”双层结构。
- 疏水与导热颗粒协同复合
- 通过在气凝胶中引入疏水导热颗粒（如BN、石墨烯片），实现“湿气难进、热量仍控”。
- 自修复型结构
- 研究表明某些聚合物/硅氧烷气凝胶可以通过“热诱导”或“水热处理”重构网络，恢复部分性能。
