前言
通过对本课题的研究和学习，深刻了解气凝胶的特点及其应用。分析目前用于隔热涂料气凝胶的现状，特点及应用。展望用于隔热涂料的气凝胶的发展趋势和未来前景。
气凝胶是一种固体物质形态，世界上密度最小的固体。一般常见的气凝胶为硅气凝胶，其最早由美国科学工作者Kistler在1931年制得。[1]气凝胶的种类很多，有硅系，碳系，硫系，金属氧化物系，金属系等等。aerogel是个组合词，此处aero是形容词，表示飞行的，gel显然是凝胶。字面意思是可以飞行的凝胶。任何物质的gel只要可以经干燥后出去内部溶剂后，又可基本保持其形状不变，且产物高孔隙率、低密度，则皆可以称之为气凝胶。
因为气凝胶密度极低，目前最轻的硅气凝胶仅有1毫克每立方厘米，
图1-1气凝胶
略低于比空气密度，所以也被叫做“冻结的烟”或“蓝烟”。由于里面的颗粒非常小（纳米量级），所以可见光经过它时散射较小（瑞利散射），就像阳光经过空气一样。因此，它也和天空一样看着发蓝（如果里面没有掺杂其它东西），如果对着光看有点发红（天空是蓝色的，而太阳看起来有点红）。由于气凝胶中99.8%以
上是空气，所以有非常好的隔热效果，一寸厚的气凝胶相当20至30块普通玻璃的隔热功能。即使把气凝胶放在玫瑰与火焰之间，玫瑰也会丝毫无损。气凝胶在航天探测上也有多种用途，在俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”的探测器上都有用到这种材料。气凝胶也在粒子物理实验中，使用来作为切连科夫效应的探测器。位在高能加速器研究机构B介子工厂的Belle 实验探测器中一个称为气凝胶切连科夫计数器(Aerogel Cherenkov Counter, ACC) 的粒子鉴别器，就是一个最新的应用实例。这个探测器利用的气凝胶的介于液体与气体之低折射系数特性，还有其高透光度与固态的性质，优于传统使用低温液体或是高压空气的作法。同时，其轻量的性质也是优点之一。
气凝胶被称为“冻结的烟雾”，却可以抵御炸弹爆炸；它是最好的保温材料，能够隔绝极端温度；它又是“最佳海绵”，可用来过滤污水。它就是气凝胶，几乎可以应用于任何领域。
第1章二氧化硅气凝胶的隔热原理及制备方法
1.1 二氧化硅气凝胶的特性
1.1.1 物理性质
孔隙率95-98%
比表面积500-650m3/g
孔径20-70nm
孔容3.5ml/g
导热系数0.01-0.02w/(m·k)
密度12.5-18kg/m3[2]
1.1.2性质对性能的影响
热导系数太大（常温热导0.035～0.06w/m*k）：随着温度上升，热导率陡升，500度使用时，热导系数会高达0.2～0.3w/m*k，不符合节能要求，而气凝胶材料在500度使用时，热导率不高于0.05w/m*k，高效节能，隔热层厚度降低至传统材料的1/5。
热膨胀系数大：在温差变化大的地区使用时，受热胀冷缩因素影响，会出现断裂，断层的现象，从而失去隔热效果，而气凝胶隔热材料热膨胀系数极小，几乎不受外界环境影响，使用寿命长。
材料整体疏水：传统材料都是亲水性的，水汽的引入会大大影响材料的隔热性能，气凝胶材料的另一使用优势在于整体疏水性。
气凝胶毡（常温热导0.015～0.017，耐温600）：该系列产品以二氧化硅气凝胶为主体原料，通过特殊工艺复合而成。具有导热系数低，密度小，柔韧性大，整体疏水，不可燃，无毒环保等性能，同时兼备吸音减震的特性。可取代聚氨酯泡沫，石棉保温毡，硅酸盐纤维等不环保的传统柔性材料。[3]
1.1.3 性质决定的各领域的用途（光学，电学，催化剂，声学，生物环境学）
主要性能介绍：Main characteristics
1. 导热系数低，优越的保温效果；
Low thermal conductivity, excellent heat resistant property;
2. 柔韧性大，抗渗，防水；
Flexible, un-infiltrated and waterproof；
3. 绿色环保，不可燃；
Environmental protection and fireproof；
4. 隔音减震；
Sound insulation and shock absorbing properties；
5. 节省用料，提高空间利用率；
Saving material dosage, increase application area；[4]
1931年Kisterts]通过水解水玻璃的方法首次制备出气凝胶,但由于当时采用制备工艺条件的限制,在随后的半个世纪中,气凝胶一直没有很大的发展。直到最近二十年,气凝胶理论知识的成熟和溶胶凝胶工艺的完善,以及各行各业对气凝胶材料的需求量增大,使得气凝胶发展十分迅速。,
二氧化硅气凝胶是一种三维纳米多孔网络结构及分散在其中的气体介质组成的，具有纳米材料的特性。因其具有非常独特的性质，所以制备条件开始也是非常苛刻的，二氧化硅气凝胶一般是以正硅酸乙酯或者正硅酸甲酯为原料，通过溶胶-凝胶法获得醇凝胶，在经过超临界干燥法而获得。但由于原料昂贵，制备工艺复杂，设备要求高，能耗大。是成本很高，制备困难，从而阻碍了大规模的推广应用。
经过数年的研究，科学家开辟了以正硅酸乙酯为原料的非超临界干燥工艺这对降低设备要求，简化制备工艺向前推进了一大步，工艺逐渐完善。
1.2二氧化硅气凝胶的隔热原理
宏观上讲，热的本质就是大量分子的无规则运动的外在表现，一个物体越热，实际上就是指这个物体的分子运动越激烈。这种运动在气体中就表现为气体分子的自由运动；在液体中就表现为液体分子的成团流动；在固体中就表现为固体分子在一定位置上的振动。归纳起来说，导热一共有三个途径，[5]分别是：热传导、对流和辐射。热传导是由于物体分子的热振动具有相互影响的特性而产生的，其趋势是使整个物体热量处处均匀。对流导热，是由于热的气体或者液体密度较小，在重力作用下冷热液体相对流动而产生的。辐射导热，则是一切温度高于绝对零度的物体都具备的，以电磁波的形式向外导热的方式。为了达到良好的隔热效果，隔热材料必须对上述三个导热的途径加以抑制。
Alsion研制的多孔二氧化硅气凝胶复合隔热材料能很好的抑制上述三种热
传导的途径。
固体导热能力的大小，从隔热材料的角度来说，仅跟材料本身固有的导热系数，以及材料的密度有关。为了降低材料的密度，一般的隔热材料均采取制造孔隙的办法。本公司研制的多孔二氧化硅气凝胶复合隔热材料，在这一点上做到了极致；该材料的孔隙率占到了整体积的90%以上，因而材料密度极低，仅为水的四分之一左右。
然而，因为大部分隔热材料均含有大量的孔隙，因此孔隙内部所含气体的对流导热，成为一个关键导热途径。据研究，对流导热仅跟气体性质和孔隙大小有关。不同隔热材料用不同办法来降低材料对流导热。例如，聚氨脂发泡材料在孔隙中填充了氟利昂气体，该气体的导热率仅有空气的三分之一，从而获得了优越的隔热性能。但因其能严重破坏臭氧层曾被二氧化碳等替代，然而二氧化碳等作为填充的聚氨脂材料，又会存在导热率高的问题。本材料采取了另一个途径，即减小孔隙直径的办法来降低孔隙中空气的热导率。经过特殊工艺制得的本材料，其中孔隙的平均直径仅为50-60纳米，约为头发直径的千分之一，而空气分子的平均自由程为70纳米左右。在如此之小的空隙中，空气几乎无法流动，从而抑制了空气的对流导热。
此外，由于大量微小孔洞的存在，本材料几乎具有无限多的孔壁，而这些孔壁均可视为辐射的反射面和折射面。一毫米厚度的本材料就含有上万层的反射面和折射面，很好地阻隔了辐射导热。同时为了更好抑制材料的辐射导热，本材料添加了一些纳米级的反辐射物质，可以很好的反射/吸收热辐射。因此对于辐射导热本材料也有很好的抑制作用。
1.3二氧化硅气凝胶的制备方法
1.3.1二氧化硅气凝胶的制备原理
目前SiO2气凝胶的制备由两个过程构成：溶胶，凝胶过程和醇凝胶的干燥工艺。
目前溶胶凝胶工艺常使用的前驱体采用最多的是TMOS(硅酸甲酯)、水玻璃和TEOS(正硅酸乙酯)。由于TMOS有毒和水玻璃制备出的SiO2气凝胶纯净化困难，因此使用最多的是TEOS。溶胶凝胶工艺是向先驱体加入适量水和催化剂，发生水解缩聚反应。[8]
Si(OR)4+4H20 Si(OH)4+HOR (水解)
nSi(OH)4一(SiO2)n+2nH2O (缩聚)
1.3.2二氧化硅的制备过程
制备气凝胶的主要三种原料：
（1）硅源典型的硅质原料有水玻璃，正硅酸甲酯，正硅酸乙酯，多聚硅氧烷，硅溶胶等；
（2）溶剂主要是醇类和酮类，包括甲醇，乙醇，丁乙醇，丙酮等；
O等；
（3）催化剂主要是一些无机酸或者碱，如HF,HCL,NH3-H
2
首先将硅源，水，溶剂按一定的配比混合均匀，然后加入一定量的催化剂。在催化剂的作用下，硅源发生水解，缩聚反应，在溶液中形成无序，枝状，孔洞，形成纳米尺度的二氧化硅凝胶，即一步溶胶-凝胶法，该方法需要大量的醇作溶剂，且醇对硅源的水解和缩聚有明显的抑制作用。为了克服这一缺点，Tillotson等人对一步法进行了改进，使硅源与低于化学计量比的水混合均匀，在酸性条件下加热使其部分水解，得到缩合硅的先驱体，然后补足化学计量比的水，[12]以丙酮为溶剂在碱性的条件下生成凝胶，这就是两步法溶胶-凝胶法，采用该方法制得的二氧化硅气凝胶密度可达3kg/m3
通过溶胶-凝胶过程得到的湿凝胶网络骨架周围存在着大量的溶剂（醇﹑水﹑催化剂等），要获得气凝胶必须将其中的溶剂去除。目前文献报道的除去湿凝胶中溶剂的方法大体可以分为两类：超临界干燥法和非超临界干燥法。
1.3.3二氧化硅气凝胶的制备影响因素
根据很多文献[20]及相关报道影响制备条件的主要因素有温度，PH，时间间隔，水，溶剂（乙醇），以及催化剂（乙酸，草酸等）。
溶胶一凝胶的影响
水量对SiO
2
研究认为，随着水相对TEOS的增加，凝胶时间基本呈明显的线性下降，这与FEOS的水解速率受水量影响一致但如果水相对TEOS超过水解反应的王单沦物质的芾比4以后，水作为缩聚反成的生成物义会使凝胶时间逐渐延长。研究发现水量的相对增加对成品性能(如密度)有显著不利的影响，认为凝胶中水分的增加提高了后续工艺的难度，容易导致收缩的显著加剧。
溶胶一凝胶的影响
溶剂量对SiO
2
TEOS的溶剂一般采用醇类。认为溶剂对体系还产生了稀释与占位作用，闪此溶剂的增加常常对气凝胶的性能有利。研究认为凝胶时问一般与溶剂量成比，成品密度与溶剂量成反比。但是，溶剂量过多不利于成品强度。通过正交试验认为z(TEOS) (水).7j(乙醇)一1:4.5:10较为理想m 。通过高溶剂量(是硅溶胶体积的
气5~5O倍)和密闭高温凝胶(100~200。C)的工艺得到最低密度为3mg/cm。的SiO
2
凝胶，已达到气凝胶的吉尼斯最轻固体的记录，而且需要其他特殊的干燥于段。
溶胶一凝胶的影响
催化剂对SiO
2
目前气凝胶制备普遍采用先酸后碱的两步法，低pH 值有利于TES的水解，高pH 值有利于溶胶的缩聚，2种反应互相竞争，因此在酸性体系中逐渐提高pH 值时将导致凝胶时间的急剧缩短，乃至瞬间凝胶。凝胶时相对pH值接近线性下降，
但接近中性后趋于稳定。由此可能对凝胶结构产生明显影响，如一般偏碱性条件下的产物透明性较差，折射率低，认为这与结构、孔隙粗大有关。酸性催化剂没有特殊的约束，常用的为盐酸、硫酸，乃至酸性阳离子树脂。除pH 值外，催化剂的种类也可能会对凝胶过程产生明显影响，其中HF特别受到研究者的关注，Pope 较早研究了不同酸催化的不同效果，发现HF具有最短的凝胶时间，Andrianov等探索r催化机理，碱性催化刹通常采用的是NaH 或氨水。
温度的影响
有图6可以看出，随着温度的升高凝胶的时间迅速缩短，因为温度的升高使低分子量的缩聚产物碰撞频繁，粒子团聚生长几率增大，溶胶越不稳定，越易聚集形成凝胶。但是温度太高有机溶剂（乙醇）容易挥发，从而导致水解反应物的浓度增大，缩聚反应聚合物浓度也增大，所得的气凝胶骨架密度增大，产品的光透过率降低，因此，温度在50℃,60℃,70℃比较适中
结论：制备二氧化硅气凝胶的最佳条件
通知研究水，乙醇，催化剂（氨水，草酸），ph值，温度和时间间隔等各因素对其常压制备的二氧化硅气凝胶物理化学性能的影响，并讨论各因素对二氧化
O/TEOS摩尔比为4～8，ETOH/TEOS 硅气凝胶性能影响的原因，得出以下结论：控制H
2
摩尔比为4～7，温度50℃,60℃,70℃水浴加热下用催化剂氨水浓度为1mol/L,草酸浓度为0.01mol/L,根据实验条件和目标产物适当控制PH=3～9进行凝胶，两步溶胶-凝胶时酸加入24小时水解后再加入碱进行缩聚所得到的气凝胶各物理化学性质比较好。这为对各影响因素进行系统的综合研究和选择最佳制备条件提供了理论基础。[13]
1.3.4二氧化硅气凝胶的干燥技术
前驱体经过So1.gel过程而获得的醇凝胶,由富有弹性的固体网络和网络中的
液体组成,要得到气凝胶,必须在保持原有的凝胶网络结构不变的情况下,将网络
中的溶剂排除。而如果直接进行干燥排除,由于表面张力的作用只能得到固体粉末,而不能得到块状的不开裂的气凝胶材料。为了解决这一难题,最早采用的是超临界干燥法近年来随着许多科学家的长期探索,相继出现了亚临界干燥、冷冻干燥、“微分”干燥和常压干燥技术。.
结合干燥过程的传质过程讨论凝胶收缩及变形的推动力。液体蒸发使同体相暴露出来,固与液界面被能量更高的固/气界面所取代,为阻止体系能量增加,孔内液体将向外流动覆盖固与气界面。而由于蒸发使液体体积减少,因此气与液界面必须弯『H1才能使液体覆盖同与气界面,弯曲液面导致了毛细管力存在。
假设凝胶的孔为圆柱孔(如图1所示),根据杨.拉普拉斯公式可知:毛细孑L巾液体弯液面的附加压力可表达为:P=——27cosO/r
式中:Y为气/液界面能;0为接触角;r为孔半径。张力P作用于液体,使液体产生压缩压力,导致凝胶网络收缩。由上式可知:
1)增加毛细管半径;
2)增大接触角;
3)减少溶剂的表面张力等技术手段均可达到减小张力的目的[22]。这些为开发新的干燥技术提供了理论依据。[19]
凝胶的表面存在纳米结构的气孔,根据干燥机理可知排除溶剂时将产生很大毛细管力,这可能导致凝胶结构的坍塌。因此如何尽可能地消除毛细管力…1,改进制备干燥方法成为气凝胶基础研究的一个重要部分。
（1）超临界干燥技术
超临界干燥是把干燥介质加热的超临界点,使凝胶排除溶剂时不存在的毛细管力,避免了排除溶剂时引起凝胶结构的坍塌,得到保持凝胶原始性状的一种干燥技术。采用溶胶.凝胶过程得到的醇凝胶的固态骨架周围,存在着大量溶剂(醇、少量水和催化剂)。要得到气凝胶,必须设法除去凝胶中存在的溶剂。采用超临界干燥技术,采用甲醇、乙醇、异丙醇、苯等作为干燥介质,在超临界点以上排除溶剂的超临界_T艺,需要高温高压的苛刻条件(表1所示),设备复杂且危险性大。[21]
因此为了尽可能的减小干燥过程中存在的危险,近年来发展出了低温超临界不会燃烧、爆炸的,对环境不会产生污染,并且其化学惰性使制备的干燥技术。CO
2
作为干燥介质(临界温度只有3 1℃)低温的产品的纯度非常高,因此发展出了以CO
2
超临界干燥技术,降低干燥时的临界压力和温度,减小了存在的危险,实现凝胶的干燥。Van Bommel[ J等采用低温超临界干燥法成功制备了SiO
气凝胶。
2
（2）常压干燥技术
由于超临界干燥技术在应用技术上存在的缺点,耗能高且危险性大,设备复杂、难以实现连续性及规模化生产。与超临界干燥相比,常压干燥技术所需设备简单、便宜,且只要技术成熟,就能进行连续性和规模化生产。因此常压干燥技术是气凝胶干燥技术的发展方向,在常压下通过加人低表面张力的介质和表面改性剂,替换凝胶中的溶剂,增强凝胶网络的结构,同时减小了凝胶网络的毛细管力,尽可能避免
了溶剂排出时凝胶发生坍塌的现象,实现了气凝胶的常压干燥。
由干燥机理可知,气凝胶的非超临界干燥制备,可以通过以下几种措施来实现,即增强凝胶网络骨架的强度,改善凝胶中孑L洞的均匀性,凝胶的表面修饰以及减
小溶剂的表面张力等[25]。凝胶干燥过程中,毛细管附加压力与毛细管中溶剂的表面张力直接相关。通常,经水解和缩聚形成的醇凝胶,其网络孔洞中充满的溶剂主要是水和醇,由于水的表面张力很大,因此在于燥过程中毛细管的附加压力很大,这
是造成气凝胶制备过程中开裂破碎的直接原因。如果通过溶剂替换,用表面张力小的溶剂将水和醇替换出来,这些表面张力小的溶剂蒸发干燥时,附加压力将大大减小,对实现非超临界干燥制备气凝胶很有利。因此,可以用具有极低的表面张力表面活性剂溶液进行替换,减小毛细孑L中的附加压力。Parakash、Brinker和Hurb提出的化学法干燥凝胶,就是使用具有低表面张力的正己烷和TMCS溶剂对SiO2气凝
胶进行溶剂替换和表面改性,提高凝胶的强度,。减少干燥时凝胶的收缩,最大限度地避免了干燥过程中凝胶的坍塌。表2列出了常用表面改性剂的表面张力参数。
其次,通过在介观层次上引入各种受控源物质,以及对醇凝胶形成条件的严格筛选,实现材料配比和制备工艺的优化,从而改善凝胶网络骨架密度,提高网络骨架强度,增加骨架的柔韧性。只要凝胶的网络结构比较完整,且有足够的强度和弹性,足以
气凝胶的干燥。
抵御在干燥过程中毛细管附加压力对凝胶的破坏作用,实现SiO
2
（3）冷冻干燥
超临界干燥是在高温高压条件下消除了液/气界面,消除毛细管力的影响。而冷冻
干燥与其相反,是在低温低压下把液/气界面转化为气与同界面,同与气转化避免了在孑L内形成弯曲液面,再使溶剂升华,消除了毛细管力的影响,实现凝胶干燥。80年代末,Klvana等提出用冷冻法干燥气凝胶材料,随后Mathieu等用此法合成了具有
良好粘附力、多孔的冷冻凝胶,Pajonk等则详细综述了冷冻凝胶的催化作用效果。然而在形成具有纳米结构的气凝胶时也存在一些问题:在冷冻过程中,流体溶剂被冷冻,随着结晶度和压力的增加,网络结构会被破坏;用乙醇作为溶剂时,温度太低也是一个技术问题(乙醇冷冻温度160K,冷冻超小的纳米气孔的材料,过冷是冷冻流体的必备因素);当溶剂被冷冻时,必须减少压力从而使其升华;当溶剂被排出以后,纯度很高,但是南于在低温,蒸汽压力太小以至于压力剃度不能达到高的流动性,使溶剂挥发占据大量的时间。冷冻干燥[29]是一种新型的气凝胶干燥技术。如果在流体的溶点,通过冷气体对流,凝胶的表面温度比较稳定,表面得到强化,就可有效地避免干燥时纳米气孔结构的坍塌。南于纳米结构硅凝胶的冷干燥可能使产生气孔坍塌甚至成为粉末,因此利用冷冻干燥不能制备出单片集成电路气凝胶。（4）传导干燥
Smith报道了将凝胶浸人一种不能进入凝胶结构的溶剂中加热,进行干燥的新型工艺,这就是传导干燥。传导干燥通过控制外部流体的温度调控加热的速率,凝胶干燥时它的密度降低,到了干燥后期,甚至能漂浮到流体的表面。根据Smith小组的研究,传导干燥与传统的干燥方法相比,虽然热传导速率快,能量利用效率高,但是难以选择合适的加热液体,且这种技术需要在加热以前,对凝胶的表面要经过化学处理,因此目前利用这种方法制备气凝胶材料的研究较少。
（5）蒸发干燥
如果要在中等的价位制备出大量的二氧化硅气凝胶,蒸发干燥技术是非常合适的。然而蒸发干燥稂不成熟,利用它制得的材料一般还限于二氧化硅干凝胶。
第2章二氧化硅气凝胶的应用
2.1 航天领域
1999年，美国宇航局给其“星尘”(Stardust)号探测器装备了一种塞满气凝胶的棒球手套，用于捕捉彗星尾部的尘埃。去年，该探测器满载尘埃样本返回地球。
2002年，美国宇航局创立的阿斯彭气凝胶(Aspen Aerogel)公司生产了一种更坚固、更柔韧的气凝胶。现在它正用来为人类首次登陆火星时所穿的太空服研制一种保温隔热衬里，派宇航员登陆火星预定于2018年进行。该公司的一位资深科学家马克·克拉耶夫斯基认为，一层18毫米的气凝胶将足以保护宇航员抵御零下130度的低温。他说：“它是我们所见过的最棒的绝热材料。”
丹麦的Jensen等人在玻璃中间充入15mm的硅气凝胶使中心的热损失系数小于0·7W·㎡·K-1，透光率达76%。预计硅气凝胶窗具有广阔的市场前景。
美国NASA在“火星流浪者”的设计中，也用过硅质气凝胶材料作为保温层，用来抵挡火星夜晚-100℃以下的超低温。
（星尘号探测器的气凝胶）[25]
2.2 太阳能利用
具有高度透光率及低热导率的气凝胶对入射光几乎没有反射损失，能有效的透过太阳光，因此气凝胶特别适合于用作太阳能集热器及其它集热装置的保温隔热材料，当太阳光透过气凝胶进入集热器内部，内部系统将太阳光的光能转化为热能，气凝胶又能有效阻止热量流失。[14]
2.3 环保领域
用块状、颗粒状或粉末状的气凝胶取代氟里昂发制的聚氨酯泡沫作为冰箱等低温系统的隔热材料，可以防止氟里昂气体泄漏破坏大气臭氧层，从而保护人类的生存环境。
环保是新型气凝胶的第三个重要作用。科学家们将气凝胶亲切地称为“超级海绵”，因为其表面有成百上千万的小孔，所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。美国科学家新发明的气凝胶现在居然能吸出水中的铅和水银。据这位科学家称，这种气凝胶是处理生态灾难的绝好材料，比如说1996年“海上快车”油轮沉没后，72000吨原油外泄，如果当时用上这种材料的话，那么就不会导致整个海岸受到严重的污染。[17]
2.4 军事领域
除此之外，现在还在用气凝胶作未来的防弹住宅和军用车辆装甲的测试。在实验室中，一个涂有6毫米气凝胶的金属板在炸药爆炸中几乎毫发无损。它还有环保的优点。
气凝胶可作为飞机机舱的隔热层材料。可以作为核潜艇、蒸汽动力导弹SiO
2
驱逐舰的核反应堆、蒸发器、锅炉以及复杂的高温蒸汽管路系统的高效隔热材料，可以增强隔热效果，降低舱内温度,同时有效降低隔热材料的用量,增大舱内的使用空间,有效改善各种工作及战争中的复杂环境。[23]
2.5 日常生活
丹麦的Jensen等人在玻璃中间充入15mm的硅气凝胶使中心的热损失系数小于0·7W·㎡·K-1，透光率达76%。预计硅气凝胶窗具有广阔的市场前景。
由于气凝胶空隙率很高，所以具有很好的吸附性能。能对大气中水中的微小粒子进行吸附，能起到净化空气和水质的作用。因此可以应用于除尘器，使工业产生的废气最大化的被吸收，改善空气质量。另外在净化水质方面，气凝胶过滤后也可以让我们喝到更健康的饮用水。
新型气凝胶也将步入我们每个人的未来日常生活。比如说美国的Dunlop 体育器材公司已经成功研发了气凝胶制成的网球拍。这种网球拍据说击球的能力更强；今年年初，66岁的鲍博·斯托克成为第一个用气凝胶建房子的英国人：“保温加热的效果非常好，我将空调的温度下降了5℃，结果室内的温度仍然非常舒适。”登山者也对气凝胶的运用充满了希望。英国登山家安尼·帕尔门特去年登珠峰时所穿的鞋子就是用气凝胶制成的，他的睡袋里也有一层这种新材料。[32]
第3章气凝胶的研究进展及展望
硅气凝胶具有广阔的应用前景，可以作为透明隔热材料，冰箱隔热材料，声阻抗耦合材料，作为研究分形结构动力学行为的最佳材料，应用于集成电路中，还可以作为超级电容材料，新型气体过滤器，新型催化剂或催化剂载体等方面具有多种用途。
3.1气凝胶在各个领域的研究进展
3.1.1 替代聚氨酯泡沫的冰箱隔热材料
聚氨酯泡沫是一种重要的多孔材料，其隔热性能在很大程度上取决于制备过程中选用的发泡剂，氟利昂气体室温下的热导率(O.008 6 W/m ·K) 比空气热导率(O.026 W/(m ·K)小得多，用氟利昂发制的聚氨酯泡沫内含有大量的氟利昂气体，其总热导率约为0.O2～0.03 W/(m ·K)，是一种性能良好的隔热材料，广泛应用于冰箱等低温隔热系统。
由于氟利昂气体的泄漏会破坏大气臭氧层，导致温室效应，对人类的生存环境产生不良影响，氟利昂正被逐步淘汰，若采用其它气体作为发泡剂，聚氨酯泡沫的隔热性能会大幅度降低。
因此,研制热导率低于0.02 W/(m ·K),且无公害、不燃烧的隔热材料，引起人们的兴趣。硅气凝胶是一种可能的候选材料，通过添加适量的红外吸收剂将有效降低辐射热传导，目前室温常压下掺杂粉末状、块状硅气凝胶的热导率分别达0.018 W/（m ·K）和0.014 W/（m ·K），抽真空后热导率小于0.009 W/（m ·K），隔热性能最好的掺杂硅气凝胶粉末热导率仅0.002 W/（m ·K），一旦生产工艺突破，成本降低，该材料将在冰箱隔热中得到推广应用。[32]
3.1.2气凝胶在光学材料研究中的应用
产生的x光激光的增益系数，利用超低密度材料吸附核燃料，可构成激光惯性约束聚变的高增益冷冻靶。气凝胶纤细的纳米多孔网络结构、巨大的比表面积、结构介观尺度上可控，成为研制新型低密度靶的最佳候选材料。
纯净的硅气凝胶是透明无色的，由于硅气凝胶的结构单元在l～100 nm 范围，故对蓝光和紫外光有较强的瑞利散射，样品在黑色背景下呈浅蓝色，在白色光源照射下呈浅黄色。在波长为630 nm 处，,湮灭系数e一0.1 m /kg硅气凝胶的密度较低，光子在这个波长区的平均自由程也特别长。对p一100 kg/m的材料，L 一1/e·P～0.1 m在波长<7 m 和> 30 m 区域，硅气凝胶的典型湮灭系数e=10 m /kg，而在8—25 区域，e=100 m /kg。可见对红外可见光的湮灭系数之比达100以上。
此外，硅气凝胶是折射率可调的材料，使用不同密度的气凝胶介质作为切伦柯夫阀值探测器，可确定高能粒子的质量和能量。因高速粒子很容易穿人多孔材料并逐步减速，实现“软着陆”，如选用透明气凝胶在空间捕获高速粒子，可用肉眼或显微镜观察被阻挡、捕获的粒子。[18]
作为一种新型纳米多孔材料，除硅气凝胶外，已研制的还有其它单元、二元或多元氧化物气凝胶、有机气凝胶及碳气凝胶。作为一种独特的材料制备手段，相关的工艺在其它新材料研制中得到广泛应用，如制备气孔率极高的多孔硅、制备高性能催化剂的金属—气凝胶混合材料、高温超导材料、超细陶瓷粉末等。目前国际上关于气凝胶材料的研究工作主要集中在德国的维尔茨堡大学、BASF公司、美国的劳伦兹·利物莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室，法国的蒙彼利埃材料研究中心，日本高能物理国家实验室等。国内
主要集中在同济大学波尔固体物理实验室、国防科技大学以及浙江省绍兴市的纳诺高科股份有限公司。
另外，硅气凝胶的折射率很小(n一1.0l～1.06)，这意味着硅气凝胶对入射光几乎没有反射损失，能有效地透过太阳光，并阻止低温红外热辐射，因此，这种材料特别适合太阳能集热器系统。[24]
此外，随着科学技术的发展和人们生活水平的不断提高，建筑物窗户朝着大型化和豪华化的方向发展。由于窗户面积不断扩大，通过窗户所泄漏的热量亦不断增加，因此严寒地区窗户节能问题已引起人们地关注，这就要求新型建筑窗户既节能、采光又美观。
由于硅气凝胶是一种理想的透明隔热材料，德国、英国、比利时、卢森堡等国的数家公司联合开展了硅气凝胶窗的开发研究。据估计如果用硅气凝胶窗替代欧洲现用双层玻璃窗的l0 ～l5 ，就需要7～l0百万平方米的硅气凝胶窗。目前在德国、瑞士均有用硅气凝胶作为房屋透明保温材料的实验研究，其节能效果明显。
3.1.2作为声阻抗耦合材料
由于硅气凝胶的低声速特性，它还是一种理想的声学延迟或高效隔音材料。该材料的声阻抗可变范围较大(Z-103～107 kg/m ·s)，是一种较理想的超声探测器的声阻耦合材料。常用声阻ZF= 1.5×107kg/m S的压电陶瓷作为超声波的发生器和探测器，而空气的声阻只有400 kg/m ·S。为提高声波的传输效率，降低器件应用中的信噪比，Fricke提出用厚度为1/4波长的硅气凝胶作为压电陶瓷与空气的声阻耦合材料。[29]
初步的实验结果表明：密度在300 kg/m左右的硅气凝胶具有最佳的耦合特性，未经优化的耦合结果已使声强提高了30 dB以上；如果采用具有密度梯度的硅气凝胶，可望得到更高的声强增益。在分形结构研究方而。硅气凝胶作为一种结构可控的纳米多孔材料，其表现密度明显依赖于标度尺寸，在一定尺度范围内，其密度往往具有标度不变性，即密度随尺度的增加而下降，而且具有自相似结构，在气凝胶分形结构动力学研究方面的结构还表明，在不同尺度范围内，有三个色散关系明显不同的激发区域，分别对应于声子、分形子和粒子模的激发。改变气凝胶的制备条件，可使其关联长度在两个量级的范围内变化。因此硅气凝胶已成为研究分形结构及其动力学行为的最佳材料。