安徽艾约塔硅油有限公司
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像 “冻结的烟” 般轻盈，却能抵御 1300℃高温；厚度仅几毫米，隔热效果远超传统材料 —— 这就是气凝胶。它从航天黑科技走进民用领域，背后既靠极致性能，更离不开制备工艺的突破。今天就从制备流程入手，拆解这款 “材料界六边形战士” 如何重塑工业节能与安全。
气凝胶制备的核心是通过溶胶 - 凝胶法形成湿凝胶，再经干燥工艺去除孔隙中的溶剂，最终得到高孔隙率的气凝胶。整个流程需严格控制反应条件，以避免凝胶结构在干燥时坍塌。
气凝胶制备主要分为三大阶段：溶胶制备、凝胶形成、干燥处理，具体步骤如下：
此阶段的目标是让前驱体在溶剂中均匀分散并发生初步反应，形成稳定的溶胶体系。
· 原料混合：将前驱体（如正硅酸乙酯 TEOS）与溶剂（如乙醇、水）按一定比例混合，搅拌均匀。
· 催化剂添加：加入酸（如盐酸）或碱（如氨水）作为催化剂，调节体系 pH 值（酸催化通常 pH<2，碱催化通常 pH>8），控制水解反应速率。
· 水解反应：前驱体在催化剂作用下发生水解，生成含羟基的小分子（如硅酸），溶液逐渐从透明液体转变为具有一定黏度的溶胶。
溶胶中的小分子通过缩合反应形成三维网络结构，液体被包裹在孔隙中，形成湿凝胶。
· 缩合反应：溶胶中的羟基小分子相互连接（缩合脱水 / 脱醇），逐渐形成连续的固体网络骨架。
· 陈化处理：将形成的湿凝胶在恒温环境中静置数小时至数天，让网络结构进一步生长、加固，减少后续干燥时的收缩。
这是决定气凝胶性能的关键步骤，需在去除孔隙内溶剂的同时，保留三维网络结构，主要分为两种技术路线：
1. 原料比例：前驱体、溶剂、水的比例直接影响溶胶浓度，过高易导致凝胶结构致密，过低则骨架脆弱。
2. 催化剂与 pH 值：酸催化形成的凝胶孔径小、分布均匀；碱催化则孔径大、反应速度快，需根据目标性能选择。
3. 陈化时间：陈化不足会导致骨架强度低，干燥时易坍塌；陈化过度则可能使孔径过大，影响隔热等性能。
4. 干燥条件：超临界干燥需精准控制温度和压力；常压干燥需严格控制升温速率（通常 1-5℃/h），避免溶剂快速挥发导致结构破坏。
除了最基础的硅基气凝胶，其他类型气凝胶的制备会在原料和工艺上调整：
· 碳基气凝胶：以酚醛树脂、石墨烯等为前驱体，溶胶 - 凝胶后需经高温碳化（通常 800-1200℃），再干燥。
· 金属氧化物气凝胶（如 Al₂O₃、TiO₂）：前驱体为金属醇盐（如异丙醇铝），水解后需控制 pH 值避免金属离子沉淀，干燥工艺与硅基类似。
· 有机气凝胶（如聚氨酯气凝胶）：以聚合物单体为原料，通过聚合反应形成凝胶，无需高温处理，常压干燥即可实现。
气凝胶在新能源汽车中的核心价值，正是其制备工艺赋予的低导热性与稳定性。在锂电池模组中，电芯间嵌入的气凝胶片堪称 “防火隔板”，能阻断 1300℃的热失控蔓延，2.5mm 厚度就能将温度降至 180℃，有效避免连锁爆炸，吉利、比亚迪等车企已批量采用。
同等隔热效果下，气凝胶厚度仅为传统材料的 1/5，既节省电池包空间，又减轻整车重量，间接提升续航；寒冷地区还能为电池保温，避免低温性能衰减。
建筑领域中，常压干燥工艺制备的气凝胶已实现规模化应用。刷在墙体的气凝胶涂料防火等级达 A 级，还能提升建材抗压性与耐水性；不过透光型气凝胶在节能窗的应用，仍需优化溶胶 - 凝胶过程中的透光性参数。
工业场景里，超临界干燥制备的高性能气凝胶，是石油化工海底管道、热力管网的 “节能外套”，能大幅减少热量损耗，还降低严苛环境下的施工难度；冷库中使用它，既减少冷量流失，又避免管道冷凝。
航天领域对气凝胶性能要求最高，NASA 火星车使用的二氧化硅气凝胶，就是通过超临界干燥制备，密度仅 20kg/m³，能抵御火星 - 123℃低温与着陆上千度高温；同位素温差电池也靠它减少热能损耗。
消费电子中，常压干燥制备的气凝胶成本更低，被用于手机芯片散热隔层，靠 0.013W/(m・K) 的低导热系数阻隔热量；冰箱用它替代聚氨酯泡沫，节能效果更优。
过去气凝胶因超临界干燥工艺成本高，仅限高端领域使用；如今常压干燥工艺让成本大幅下降，中科院闪速合成技术更实现成本降低 99%，加速其在建筑、汽车领域的普及。
多功能复合化是另一方向：通过改进溶胶 - 凝胶过程，已开发出兼具隔热、吸附功能的气凝胶，可用于油水分离、重金属吸附。随着新能源汽车需求增长，预计 2031 年全球气凝胶市场规模将达 15 亿美元。
从溶胶 - 凝胶的 “骨架搭建”，到干燥工艺的 “成本突破”，气凝胶的每一步应用拓展，都与制备技术的革新紧密相连。这款 “冻结的烟”，正用工艺与性能的双重优势，书写工业节能与安全的新篇章。
文章来源：联净复合材料
