氣凝膠是世界上最輕的固體材料，種類很多，其中SiO2氣凝膠具有一系列獨(dú)特的特性，包括低密度（0.003～0.500g/cm３）、大孔隙率（80.0％～99.8％）、低導(dǎo)熱性（導(dǎo)熱系數(shù)0.005～0.100Ｗ/（ｍ·Ｋ））、超低介電常數(shù)（1.0～2.0）和低折射率（1.05）等優(yōu)良性能，是氣凝膠的典型代表。

溶膠制備作為核心工藝環(huán)節(jié)，直接關(guān)聯(lián)氣凝膠的結(jié)構(gòu)形成與功能實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)前驅(qū)體類型、溶劑體系和催化條件，可精確調(diào)控硅源的縮聚過程。其中，前驅(qū)體作為硅元素的主要供給物質(zhì)，其水解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)直接影響三維網(wǎng)絡(luò)凝膠結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑質(zhì)量，進(jìn)而決定最終產(chǎn)物的孔隙率、比表面積等關(guān)鍵指標(biāo)；溶劑的極性、粘度和表面張力對(duì)溶膠體系的動(dòng)力學(xué)行為具有決定性影響；催化劑的類型和濃度是調(diào)控溶膠-凝膠反應(yīng)路徑的關(guān)鍵變量。

在溶膠凝膠化后形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，硅氧烷骨架仍存在未充分交聯(lián)的活性基團(tuán)與結(jié)構(gòu)缺陷，需通過老化工藝實(shí)現(xiàn)體系穩(wěn)定性強(qiáng)化。老化階段通過持續(xù)縮聚反應(yīng)促使硅羥基轉(zhuǎn)化為硅氧鍵，顯著提升骨架交聯(lián)密度，同時(shí)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部分子重排以修復(fù)微孔缺陷，從而優(yōu)化孔隙分布均勻性。

溶劑置換是指將濕凝膠孔隙中原有的溶劑（通常是水或反應(yīng)混合液）用另一種溶劑逐步替換的過程。濕凝膠經(jīng)過老化后，機(jī)械強(qiáng)度得到提高，但凝膠中的溶劑絕大部分是水，水的表面張力較高（72ｍＮ/ｍ），在干燥過程中容易引起毛細(xì)管力收縮，造成氣凝膠結(jié)構(gòu)坍塌。采用醇類或低極性有機(jī)溶劑替換溶劑水后，表面張力顯著降低，有助于保留孔隙結(jié)構(gòu)。溶劑置換可以為表面改性和干燥提供適宜的化學(xué)環(huán)境，為疏水改性或干燥步驟做準(zhǔn)備，同時(shí)溶劑置換也有助于清洗掉殘余的TEOS、醇類或其他化學(xué)物，提升最終產(chǎn)品純度和穩(wěn)定性。

SiO2表面含有大量-OH，這些極性基團(tuán)能吸附水分，易導(dǎo)致凝膠結(jié)構(gòu)在干燥或使用中坍塌、收縮、吸水變形。疏水改性能顯著減小毛細(xì)管力，使氣凝膠能在常壓下干燥而不塌陷、不收縮。目前常用的疏水改性方法有表面改性法和共前驅(qū)體法，常見的疏水改性劑有三甲基氯硅烷（TMCS）、六甲基二硅氮烷（HMDS）和甲基三甲氧基硅烷（MTMS）等。

干燥工藝作為SiO2氣凝膠制備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需有效抑制因毛細(xì)管力引發(fā)的結(jié)構(gòu)收縮與開裂，以確保材料納米多孔網(wǎng)絡(luò)的完整性。目前主流的干燥技術(shù)可分為超臨界干燥、冷凍干燥及常壓干燥三類。

SiO2氣凝膠憑借其獨(dú)特的納米多孔結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出低密度、高孔隙率、低導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)異性能，在眾多領(lǐng)域具備巨大的應(yīng)用潛力。

隔熱領(lǐng)域中，其超低導(dǎo)熱系數(shù)和近紅外高反射特性被用于建筑節(jié)能、航天熱防護(hù)及戶外裝備；光學(xué)領(lǐng)域通過調(diào)控折射率開發(fā)出高透光隔熱玻璃與熒光傳感器；電學(xué)領(lǐng)域利用超低介電常數(shù)和導(dǎo)電改性技術(shù)，服務(wù)于5G通信基板與柔性電子器件；催化領(lǐng)域依托高孔隙率負(fù)載金屬催化劑，在CO?轉(zhuǎn)化及污染物降解中效率顯著；醫(yī)學(xué)領(lǐng)域則通過功能化改性實(shí)現(xiàn)藥物緩釋、抗菌敷料及骨組織再生支架，推動(dòng)智能醫(yī)療材料發(fā)展。在聲學(xué)性能方面，由于其低聲速特性以及高孔隙率，SiO2氣凝膠能夠有效地吸收和散射聲波，是理想的聲學(xué)延遲或高溫隔音材料。

一方面，SiO2氣凝膠顆粒之間“珍珠鏈?zhǔn)健钡倪B接方式和材料整體具有極高孔隙率的構(gòu)造會(huì)導(dǎo)致自身脆性大、力學(xué)強(qiáng)度過低等問題，大規(guī)模使用及其應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)受到一定限制。因此，提高SiO2氣凝膠材料的力學(xué)等性能成為重要的研究方向之一。目前主要途徑包括：骨架增強(qiáng)法、聚合物增強(qiáng)法、纖維增強(qiáng)法。

另一方面，在傳統(tǒng)的硅基氣凝膠的生產(chǎn)過程中，所需的原材料成本高昂，制備工藝復(fù)雜且能耗巨大，這使得其大規(guī)模應(yīng)用面臨著較大的經(jīng)濟(jì)壓力。特別是在航空航天、建筑和工業(yè)節(jié)能等領(lǐng)域，硅基氣凝膠的高成本限制了其廣泛應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。選擇廉價(jià)原材料和采用高效的制備工藝是實(shí)現(xiàn)低成本生產(chǎn)的重要途徑。

根據(jù)QYResearch的統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)，2024年全球氣凝膠市場(chǎng)銷售額達(dá)到了9.07億美元，預(yù)計(jì)2031年將達(dá)到22.96億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為14.4%（2025-2031）。SiO2氣凝膠作為一種極具潛力的新型功能材料，在“雙碳”戰(zhàn)略的推動(dòng)下，技術(shù)創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)下，其應(yīng)用價(jià)值將被深度挖掘，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成為可能。
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