硅基气凝胶以其低密度、超低导热、可设计性强蹬着异机能在保温领域受到越来越多的关注 。然而，硅基气凝胶保温资料存在强度低、韧性差等固出缺点，使其加工和处置难题，造约了其现实利用 。成分优化和微观结构刷新是提高其力学和保温机能、实现更多职能、降低成本的最有效战术 。该综述蕴含了与这两种战术有关的科学成就的齐全调查，描述了它们的特点、微观结构和性质 。
随着列国经济的急剧发展，世界能源 ；突肪扯窕找嫜铣 。从四十年前起头构筑能源需要以每年1.8%的速度增长，预计到2050年将从2010年的2.79亿吨油当量增长到44亿吨油当量以上 。中国致力于国内经济鼎新，大力投资用于节能环保项目 。欧盟各成员国的所有新构筑都应靠近零能耗构筑(ZEBs) 。美国承诺将贸易构筑的能效提高20%，并将新建构筑的能源需要降低70% ？⑿滦捅Ｎ伦柿鲜墙档湍芎摹⒙愎怪和电力设备冷热环境的重要措施 。而蜂窝玻璃、玻璃棉、岩棉、硅酸铝纤维、膨胀珍珠岩等常用的TIMs(见表1)导热系数均大于0.03W/(m·K) ；聚氨酯和膨胀聚苯乙烯的最高使用温度低于300℃ 。这些都难以满足未来高效TIMs的火急需要 。相比之下，硅基气凝胶(SA)不仅拥有很多利益，如耐高温(>800℃)，超低密度和导热性，并且其物理化学性质拥有很强的可设计性 。此表，与市场上大无数其他保温资料相比，SA-TIMs拥有无毒、低易燃、易处置等生态优势 。
气凝胶拥有高度多孔的微观结构，空气体积为85~99.8%，拥有由疏松堆积和粘合的颗 ；蛳宋槌傻恼渲橄盍醋赐 。这种怪异的布局使气凝胶成为最轻的固体资料(0.16mg/cm3)，拥有仅次于真空绝热板的第二好的隔热机能 。早在1990年，气凝胶就被以为是21世纪的“事业资料”，并被列为可能扭转世界的十大最有远景的科技钻研主题之一 。出格是，SA是目前最常见的气凝胶工业隔热产品，拥有优异的光学通明度(可见光区~99%)和隔音性(低声速100m/s) 。其它资料，如有机化合物、金属团簇和生物聚合物也能够嵌入到SA基体中，以得到更多的职能和更优异的力学机能 。SA-TIMs能够形成单体、颗粒、粉末、微球、棒状、纤维状、薄膜状和板状等 。由于SA-TIMs怪异地结合了上述机能，在石化工程、交通运输、航空航天、家电、构筑和医疗设施等必要隔热、防火、透光、降噪和吸附机能的宽泛利用中显示出巨大的潜力(见图1) 。然而，由于其易碎性和复杂性、加工技术成本高，市场上的SA贸易产品有限 。该资料仍有很多技术难题必要克服，出格是大批量出产和大尺寸造备SA-TIMs 。
图.SA-TIMs的利用示意图
硅基气凝胶的特点、发展汗青、造备过程及设计准则
纯气凝胶是一种纳米多孔聚合物资料(见下图)，以衔接的二氧化硅颗粒(1~5nm)为骨架，通过气体在其整个别积中膨胀，拥有高孔隙率(85~99.8%)，极幼孔隙(1~20nm)形成的三维陆续网络 。一方面，这种特殊的纳米孔网络结构显著降低了气凝胶的气固热传导，使纯气凝胶的导热系数处于0.01~0.03W/(m·K)的显著低值 。但是为了扩大硅基气凝胶的合用性，必要克服该资料的弊端，如粉尘开释、耐久性差、体积收缩、加工功夫长、成本过高档 。幸运的是，气凝胶在造备过程中拥有矫捷的化学性质和较强的可设计性:(1)其状态、成分、表表官能团和孔结构能够精密定造;(2)任何资料以及分歧资料的组合都能够嵌入到气凝胶基体中 。通常情况下，在气凝胶基体中参与一些第二相资料(SPMs)，如粉末和纤维，以抑造辐射导热性，提高机械强度 。到目前为止，硅基气凝胶的力学机能、导热系数、表表性质以及有关的出产成本都能够凭据其现实需要通过有关技术进行有效的定造 。
图.气凝胶的微观结构
1.2 发展汗青
图3显示了SA-TIMs的发展过程 。1931年，Samuel Stephens Kistler发现了第一个气凝胶，即SA 。Kistler的步骤也合用于其它气凝胶的造备，如氧化铝、氧化钨、氧化铁、氧化锡、酒石酸镍、纤维素、硝酸纤维素、明胶、琼脂、橡胶气凝胶等 。然而，这一过程繁琐且耗时，直到1968年S. J. Teichner及其同事沉新发显禅凝胶后，人们才对气凝胶领域产生了兴致 。他们大大改进了工艺，从而产生了以线性链为中央体的更具聚合性的湿凝胶，并通过高温超临界干燥获得了纯度更高、造备功夫更短的SA 。
1985年，与TMOS衍生SA相比，四乙氧基硅烷(TEOS)衍生SA的合成成本更低，毒性起源也更少 。从那时起，SA的现实利用，如火箭燃料的贮存和切伦科夫辐射探测器，逐步得到发展，但大无数提出的利用;例如，隔热窗、隔音樊篱、超等电容器和催化支架在现实使用中仍未实现 。尔后，有机气凝胶、金属气凝胶、石墨烯气凝胶别离于1989年、2009年、2010年相继发现;同时，CO2超临界干燥、常压干燥、冷冻干燥、3D打印等造备技术别离在20世纪80年代、90年代、2010年和2015年发展起来 。随着技术的创新和资料的发展，SA已被用于或思考用于隔热、激光尝试、传感器、废料治理、光学和光导、电子器件、电容器、成像器件、催化剂、农药和宇宙尘埃网络 。
最近，SA以及一些有机和碳气凝胶已经商品化，世界各地的几个钻研幼组起头在SA领域发展上述各类利用 。目前，全球重要的SA出产商和销售商有:美国的Cabot Corporation、Aspen Aerogel、Marketech International Inc、Aerogel Technologies等;中国的广东艾利森高科技股份有限公司、河北金纳科技股份有限公司等、韩国的JIOS、瑞典的Airglass, Inc.、法国的Separex、Enersens、德国的BASF SE和Okalux等 。SA粉末和SA垫(厚度为10 mm)的销售价值通常别离在50美元/kg以上和25美元/m2以上，这对于其现实利用来说太高了 。严格来说，为了更好地利用SA，必要在降低成本、原资料选择、工艺优化、开发新产品以及对准极度大的贸易市场方面投入大量精力，其中SA的整体增长重要由隔热领域驱动 。
图.SA-TIMs的发展汗青 。
1.3 造备工艺
SA-TIMs的利用设计基于其机能，而机能又依赖于其微观结构，因而在造备过程中实现微观结构的节造至关沉要 。总的来说，SA-TIMs的造备过程蕴含以下三个关键步骤，如图4所示：
（1）Solution-sol，纳米级溶胶颗粒在先驱体溶液中自觉形成或在催化剂的催化下通过水解缩合反映形成 。
（2） Sol-gel，湿凝胶是由纳米级溶胶颗粒通过交联推进剂诱导形成的，该交联推进剂可所以化学性质或物理性质 。
（3） Gel-aerogel，湿凝胶内部的溶剂(通常是酒精和水的混合物)被空气取代，而不会粉碎已经存在的纳米孔微观结构，从而预防了随后的收缩和干燥凝胶的分裂 。
通常使用三种干燥技术，即(i)超临界干燥，它在溶剂的临界点以上进行，可能预防液体和蒸汽之间的表表张力，以干燥的大局保留湿凝胶的高孔隙率和优越的结构个性;(ii)环境压力干燥，要求湿凝胶经过硅基化处置，以加强其骨架强度，削减溶剂蒸发时的作使劲;(iii)冷冻干燥，通过将湿凝胶的温度降低到溶剂的结晶温度以下并降低压力(即升华)，以蒸汽的大局去除溶剂 。通过这三种干燥技术得到的SA-TIMs别离被称为“气凝胶”、“干凝胶”和“低温凝胶” 。超临界干燥技术造备的气凝胶微观结构齐全，孔隙率高达95%左右，险些没有收缩 。然而，二氧化硅干凝胶和二氧化硅低温凝胶有很多弊端 。二氧化硅低温凝胶必要较长的老化功夫来不变其网络，其网络容易被孔隙中溶剂的结晶粉碎 。因而，大无数硅低温凝胶产品是粉末，硅低温凝胶单体的出产是极其难题的 。
图.SA-TIMs的造备流程
1.3 设计道理
目前，纯SA的导热系数可低至0.01W/(m·K)，是静态空气(0.025W/(m·K))的0.4倍，拥有超绝缘机能，而当其密度为100mg/cm3时，杨氏模量、抗拉强度和断裂韧性别离仅为1~10MPa、16kPa和0.8kPa·m1/2 。SA-TIMs面对的挑战是提高其机械强度，降低成本并同时实现相应的职能，以达到现实利用所需的梦想整体机能(见图5(a)) 。SA- TIMs的热导率和机械强度取决于SA骨架网络和嵌入SPMs的描摹、微观结构、热物理性质以及SA基体与SPMs之间的相互作用 。此表，还必要思考和平衡SA-TIMs的密度、耐温性、耐候性和可加工性等其他机能 。因而，必要钻研新型SA-TIMs的组成、微观结构、合成和加工、机能和机能(见图5(b))之间的相互依赖关系 。在现实利用中，必要思考拥有低导热系数、高力学机能和低成本综合机能的SA-TIMs 。
图.SA-TIMs的涉及和造备过程中沉点思考成分 。
SA-TIM内部的热量和质量传递景象 。SA-TIM的每个组成部门不休地与其周围的气体互换热量和水分 。此表，还与其他部件和表表存在辐射热互换 。当SA-TIM中的某一组分与周围空气之间存在温差时，就会产生净热流 。SA-TIMs的导热系数λtot是固体导热系数(λsolid)、气体导热系数(λgas)和辐射导热系数(λrad)的总和 。其中，λsolid由于其纳米孔洞结构和弯曲的固体热传递蹊径(见图6(a))受到出格的限度，λrad也能够由于无限多的孔壁形成热辐射反射和折射面的“无限热屏蔽效应”而最幼化 。然而，SA-TIM中未被固体骨架占据的空间充斥了气体(通常是空气)，其中气体的通过可能会通过SA-TIM传递热能 。
λgas暗示为λgas= λg0/(1+αT/δP)，其中 λg0、T、P和δ别离暗示气体在SA-TIMs内的热导率、温度、气体压力和SA-TIMs内的孔径 。α为孔内气体的比常数 。由于空气分子的δ (2~50nm)幼于空气分子的均匀自由程(~70nm)，因而空气分子能够被限度在介孔资料的孔隙中 。当空气分子的自由热活动在SA-TIMs的纳米孔中受到限度时，λgas就会被抑造，即天然孔径较幼的SA-TIMs有利于λtot的降低(Knudsen效应) 。此表，能够通过调整SA和SPMs的类型、状态以及相互作用来定造SA-TIMs的λt(见图6(b)) 。含有较沉的原子、侧链或悬垂基团、较弱的主键和节段以及增长非晶聚合物的SA-TIMs通常拥有较低的λtot 。
SA-TIMs的资料的热传输和质量传输的景象示意图 。
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