二十世纪30年代，美国学者 Kistler 教授首次以水玻璃为原料，采用乙醇超临界干燥工艺成功制备出气凝胶材料。该材料是一种以气相为分散介质的高分散固态多孔材料，由胶体粒子或高聚合物构成连续的纳米多孔网络结构，被认为是迄今为止已知密度最低的固体材料之一
由于气凝胶具有超低热导率、低密度、高孔隙率及超大比表面积等显著特性，在航空航天、保温隔热、光学催化、隔声降噪等多个领域展现出广阔的应用前景，对航空航天探测、建筑低碳节能、能量存储与转化以及生物化学工业等领域产生了深远影响，被誉为“改变世界的神奇材料”
随着气凝胶复合材料制备技术和工艺手段的不断发展，为满足航空航天及深空探测对高效隔声、耐高温与保温隔热材料的迫切需求，气凝胶复合材料逐步应用于飞行器舱室、配套设备、隔热层、宇航服夹层以及火星探测器关键部件中。近年来，国内外学者在航空航天领域围绕气凝胶及其复合材料的设计、制备与应用取得了大量研究成果。例如，美国“MKV-22”鱼鹰倾转旋翼机采用气凝胶材料实现机舱隔热与红外系统防护；英国“美洲豹”战斗机则利用气凝胶完成驾驶舱及机舱隔热壁的结构改型。
在我国，“长征五号运载系统”中已成功应用气凝胶隔热毡，“天舟一号”货运飞船则采用气凝胶隔热材料设计低温锁柜，为复杂空天任务提供了重要技术支撑。
基于此，本文以二氧化硅（SiO₂）气凝胶复合材料在航空航天领域的研究与应用为主线，系统回顾其发展历程，从结构设计、制备方法与性能表征等方面，总结其在航空航天领域的研究进展、应用潜力与发展动态，并对未来研究方向、发展趋势及关键科学问题进行展望，以期为SiO₂气凝胶复合材料的进一步研究与工程化应用提供参考。
1. SiO₂气凝胶复合材料发展回顾
SiO₂气凝胶自1931年问世以来，已历经九十余年的发展。通常，SiO₂气凝胶被定义为：通过前驱体溶液由溶胶向凝胶逐步转变，并经干燥工艺形成SiO₂颗粒相互连接的三维纳米多孔网络结构材料。
与碳气凝胶、碳化物气凝胶、氮化物气凝胶、石墨烯气凝胶（GA）及量子点气凝胶等相比，SiO₂气凝胶在质量轻、热导率低、孔隙率高、比表面积大、制备工艺成熟及应用前景广阔等方面具有显著优势。其典型性能包括：密度0.003–0.200 g/cm³、介电常数1.2–1.6、热导率0.014–0.020 W/(m·K)、孔隙率80–99.8%以及比表面积500–1500 m²/g。其中，独特的三维纳米网络结构使其成为目前已知最轻的固体材料之一。
然而，纯SiO₂气凝胶因其多孔纳米结构导致脆性大、力学强度低，在航空航天等高载荷、高温环境中的应用受到严重制约。针对上述问题，研究者通过引入无机氧化物、纤维及有机聚合物等增强相，发展出多种SiO₂气凝胶复合材料体系。表1系统总结了不同类型气凝胶复合材料的典型制备方法。
综合来看，与纯SiO₂气凝胶相比，各类复合气凝胶在力学性能、热稳定性及环境适应性方面均获得显著提升，为其在航空航天领域的进一步应用奠定了基础。根据工作温度范围，气凝胶复合材料通常可分为低温（＜600℃）、中温（600–1200℃）和高温（＞1200℃）材料，其中航空航天应用以中、高温材料为主。根据增强相类型，又可细分为氧化物增强、纤维增强及有机聚合物复合SiO₂气凝胶等体系。
2. 氧化物增强复合SiO₂气凝胶
纯SiO2气凝胶在650–800℃以上易发生结构坍塌。为提升耐高温性能，研究者将Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂等氧化物与SiO2复合，显著改善高温稳定性和隔热效果，适用于航空航天热防护、保温涂料等领域。
2.1 Al₂O₃-SiO₂复合气凝胶
Al₂O₃具有优异高温稳定性，通过复合显著提升SiO2气凝胶力学性能与热稳定性。代表性研究包括：Jia等[14]制备的分层结构复合材料压缩强度达21 MPa；Hou等[15]开发的硼酸铝晶须增强型热导率0.040 W/(m·K)，抗压强度提升5倍；张恩爽等[17]纳米组装Al₂O₃-SiO₂气凝胶经10次800℃循环隔热性能稳定，可用于可重复使用航天飞行器热防护。
2.2 TiO₂-SiO₂复合气凝胶
TiO₂-SiO₂复合兼具高比表面积、光催化与耐高温特性，导热系数可下降23.9%，适用于航天太阳能电池板、发动机燃油管保温涂层及气凝胶涂料应用[22-27]。
2.3 ZrO₂-SiO₂复合气凝胶
ZrO₂熔点高达2700℃，复合后材料在1000℃下收缩率低至9.3%，热导率0.023–0.033 W/(m·K)，是航空航天热防护涂层与高温气凝胶涂料的理想选择[29-33]。
3. 纤维增强SiO₂气凝胶复合材料
3.1 玻璃纤维增强SiO₂复合气凝胶
玻璃纤维增强显著提升抗弯强度（最高7 MPa）、拉伸强度与热稳定性，热导率低至0.019–0.026 W/(m·K)，适用于航天器内部设备隔热与气凝胶涂料基体[34-44]。
3.2 陶瓷纤维增强SiO₂复合气凝胶
抗压强度可达3.9–21.1 MPa，适用于高超音速飞行器热防护系统与极端环境气凝胶涂料[45-52]。
3.3 碳纤维增强SiO₂复合气凝胶
耐高温惰性环境优异，可转化为C/SiO₂/SiC三元复合，抗氧化性强，适用于火箭发动机、航天飞机热防护与高温气凝胶涂料[53-59]。
4. 有机聚合物复合SiO₂气凝胶
有机聚合物是由高分子链通过氢键、范德华力等相互作用构成的功能材料体系，因其良好的柔韧性与能量耗散能力，被视为克服纯SiO₂气凝胶脆性缺陷的重要补充材料。然而，聚合物材料普遍存在耐高温性能不足的问题，限制了其在航空航天极端环境中的单独应用。近年来，研究者通过将有机聚合物与SiO₂气凝胶进行复合设计，实现了在保持低热导率的同时显著提升材料的力学性能，为拓展气凝胶在复杂服役环境中的应用提供了新的思路。
4.1 聚氨酯复合SiO₂气凝胶
热导率低至0.0282 W/(m·K)，阻燃性强，适用于宇航服、返回舱及气凝胶涂料表面涂层[60-66]。
4.2 聚酰亚胺复合SiO₂气凝胶
热导率可低至0.009 W/(m·K)，高温稳定性优异，适用于轻质微波吸收材料与航天高温绝缘布[67-73]。
4.3 酚醛树脂复合SiO₂气凝胶
抗烧蚀性能突出，背面温度控制优异，适用于发动机表面高温气凝胶涂料与热防护系统[74-77]。
5. 结语与展望
SiO₂气凝胶复合材料已成为航空航天首选新型功能材料，从单组分向多组分体系演进，在保温隔热、热力防护、高温耐火等领域发挥关键作用。未来需重点攻克：
- 氧化物复合气凝胶在＞1200℃惰性环境下的持久耐高温性与热力稳定性机制；
- 纤维增强复合中颗粒脱落、耐久性下降的耦合机制；
- 有机聚合物/SiO₂界面黏结、分子力作用机制。
湖南奥飞新材作为气凝胶及气凝胶涂料领先企业，将持续跟踪前沿技术，推动SiO₂基复合气凝胶在航空航天高温隔热涂料领域的规模化应用，为空天装备提供更轻、更强、更可靠的热防护解决方案。
