SiO₂气凝胶柔性复合材料的制备及性能研究

随着国家对新材料领域的持续支持，轻质、高效节能材料在建筑、交通、高端制造等领域的应用需求日益增长。二氧化硅(SiO₂)气凝胶因低密度、高比表面积、低热导率等优异特性，被视为理想的隔热材料。然而，传统SiO₂气凝胶依赖超临界干燥工艺，存在成本高、工艺复杂、材料脆性大等问题，限制了其大规模应用。近年来，研究者致力于通过常压干燥、纤维复合等手段改善SiO₂气凝胶性能，尤其是开发兼具柔性和隔热功能的气凝胶复合材料，以拓展其在可穿戴设备、军事防护、航空航天等领域的应用。2025年第12期发表了来自中南大学等单位的研究论文《SiO₂气凝胶柔性复合材料的制备及性能研究》(第一作者皮邓淼，通信作者宋淼、张丁日)，本研究采用溶胶-凝胶法结合常压干燥工艺制备SiO₂气凝胶，并进一步开发SiO₂气凝胶涂料，通过涂覆技术与氨纶基底复合，制得SiO₂气凝胶柔性复合材料。系统研究了SiO₂气凝胶固含量对SiO₂气凝胶柔性复合材料结构和性能的影响规律，旨在为低成本、高性能气凝胶柔性材料的开发提供实验依据和技术参考。

文章导读

SiO₂气凝胶的制备：采用正硅酸乙酯为硅源，经溶胶-凝胶、老化、疏水改性(六甲基二硅氮烷)，最后在60 ℃常压干燥制得气凝胶颗粒，研磨成约20 μm粉末。SiO₂气凝胶涂料的制备：将表面疏水改性的SiO₂气凝胶粉末S、水性丙烯酸乳液A、聚羧酸钠分散剂B、碱溶胀丙烯酸增稠剂C、矿物油消泡剂D、3W羟乙基纤维素E、pH调节剂F、去离子水H混合，经搅拌分散调控工艺制得SiO₂气凝胶涂料，设置SiO₂气凝胶固含量分别为4%、6%、8%(质量分数)。SiO₂气凝胶柔性复合材料的制备：将SiO₂气凝胶涂料1、2、3号分别均匀涂敷在氨纶网布表面，涂敷厚度为1 mm，制得SiO₂气凝胶柔性复合涂层织物。

SiO₂气凝胶的形貌结构与比表面积

常压干燥制备的SiO₂气凝胶颗粒为淡蓝色颗粒，表观密度为0.07 g/cm³，孔径集中在2~10 nm，比表面积高达872 m²/g，吸附-脱附等温曲线呈现IV型典型介孔材料的特征。本试验通过溶胶-凝胶法常压制备的SiO₂气凝胶具有密度低、孔径小、比表面积高的特点，这为制备SiO₂气凝胶柔性复合材料提供了重要材料基础。

SiO₂气凝胶柔性复合材料的微观结构及性能

2.1 形貌结构

三种SiO₂气凝胶柔性复合材料的接触角θ均大于90°，具有一定疏水性。SiO₂气凝胶柔性复合材料均由长条状的氨纶织物纤维与蜂窝网状的多孔气凝胶结构组成，两者附着紧密、不易脱落，SiO₂气凝胶涂料孔隙分布均匀，通过蜂窝网状结构相互连接，形成一个相对疏松的涂料层。SiO₂气凝胶固含量为6%时，大量SiO₂气凝胶颗粒通过团聚堆积，构建起具有三维交联特征的骨架结构，该骨架结构能有效阻止热量的传导，降低热传导的效率，保障SiO₂气凝胶柔性复合材料优异的隔热性能。

2.2 物理性能

不同SiO₂气凝胶固含量的SiO₂气凝胶柔性复合材料密度在190.0~227.8 kg/m³，且随着SiO₂气凝胶固含量的增加，密度呈减小的趋势，当SiO₂气凝胶固含量为8%时，密度较小。这可能是多孔气凝胶颗粒的存在改变了复合材料基体的气孔含量，从而导致密度发生变化。

表2 SiO2气凝胶柔性复合材料的样品信息(复合材料总体积为9×10-5 m3)

2.3 拉伸断裂性能

纯氨纶网布(厚度为0.2 mm)的断裂强度σ_b为5.0 MPa，断裂伸长率δ为166%。不同SiO₂气凝胶固含量的SiO₂气凝胶柔性复合材料的断裂强度在7.9~9.2 MPa，断裂伸长率在102%~145%。随着SiO₂气凝胶固含量的增加，SiO₂气凝胶柔性复合材料的断裂强度呈先增大后减小的趋势。在本试验研究范围内，所制备的SiO₂气凝胶柔性复合材料具备良好的韧性，这一特性有助于增强其在服役过程中抵抗裂纹形核与扩展的能力，从而有效防止SiO₂气凝胶柔性复合材料发生过早失效。

2.4 隔热性能

当SiO₂气凝胶固含量为8%时，SiO₂气凝胶柔性复合材料的导热系数为0.023 W/(m·K)，Clo值提高了1125%。不同SiO₂气凝胶固含量的SiO₂气凝胶柔性复合材料均有较好的隔热效果，在150 ℃下可隔热30 ℃以上。在本试验研究范围内，增大SiO₂气凝胶固含量，可定向调控热传导效率，实现SiO₂气凝胶柔性复合材料隔热性能的梯度化。

图4 SiO2气凝胶柔性复合材料Clo值及隔热曲线(ΔT’表示复合材料表面与加热平台之间的温差)

2.5 红外隐身性能

SiO₂气凝胶柔性复合材料的红外发射率范围为0.89~0.98，远大于军事领域要求的红外发射率(0.60~0.70)。将SiO₂气凝胶固含量为4%的SiO₂气凝胶柔性复合材料与低发射率铜箔(发射率为0.28)进一步复合后，SiO₂气凝胶柔性复合材料表面温度与周围环境的辐射温差为1.1 ℃，远小于纯氨纶网布、铜箔与周围环境的辐射温差。在“隔热气凝胶基底+低发射率铜箔”的协同作用下，SiO₂气凝胶柔性复合材料表面红外辐射能量显著降低，达到近环境温度的稳定状态。因此，复合铜箔的SiO₂气凝胶柔性复合材料可规避红外探测器的探测，有望应用于红外隐身领域。

图5 红外发射率和红外热成像图(T1为纯氨纶网布温度，T2为铜箔的温度，T3为加热台温度，T4为铜箔和复合材料温度，T0为环境温度，()为T0的平均值)

结论

采用常压干燥工艺制备出了骨架和孔洞均匀的SiO₂气凝胶，比表面积为872 m²/g，孔径集中在2~10 nm；通过对气凝胶颗粒的破碎、改性处理，并与其他分散剂等组分复配制备出了分布较均匀的SiO₂气凝胶涂料。
将SiO₂气凝胶涂料涂覆在氨纶网布上制备的SiO₂气凝胶柔性复合材料表现出较好的力学性能，断裂伸长率最高可达145%，导热系数为0.023 W/(m·K)，可以有效解决传统气凝胶毡“掉粉”问题。
SiO₂气凝胶柔性复合材料的隔热性能与SiO₂气凝胶固含量成正比，当SiO₂气凝胶固含量为8%时，隔热性能最好，涂层厚度为1.0 mm的复合材料在150 ℃下可隔热30 ℃以上。
SiO₂气凝胶柔性复合材料与铜箔复合后，表面温度与环境的辐射温差仅为1.1 ℃，远远低于纯氨纶网布、铜箔与环境的辐射温差，红外隐身性能大幅提升。