基于微观结构的气凝胶热导率研究(2)
性，这种材料的研究并没有引起科学界的重视。直到七十年代，在法国政府的支持下，一种
新的二氧化硅气凝胶合成法被找到了，从而推动了气凝胶科学的发展。此后，气凝胶科学和
技术得到了快速的发展，各加安全廉价的二氧化硅气凝胶制作方法被发明。八十年到后期，
有机气凝胶的诞生，开创了气凝胶研究的新领域。进入九十年代后，RF气凝胶首次被成功的
制备。经过几十年的发展气凝胶的研究更加深入，目前已成为热门科学之一。2005 年, NASA
开始准备将气凝胶隔热材料应用在金星宇宙飞船的热防护系统中. 至今为止, NASA 对气凝胶
的研究报道从未间断[3]
. 此外, 气凝胶作为新型隔热材料, 在民用及现代工业等领域同样有
着越来越多的应用.Cuce 等人[4]
对气凝胶材料的热传递性能进行了分析,并对气凝胶材料在各
类建筑中的应用进行了较为全面的总结回顾, 同时, 他们也对气凝胶材料的经济性以及未来
的发展进行了分析. 鉴于上述背景, 在传统隔热材料难以满足现代工业、航空航天等提出的
高要求情况下, 对新型纳米孔隔热材料——气凝胶, 特别是气凝胶复合隔热材料内部的热量
传递方式进行研究并建立气凝胶复合隔热材料传热计算模型, 对于预测气凝胶复合隔热材料
的隔热性能具有重大的理论价值. 同时, 分析材料内部的热量传递机理并掌握材料内各个影
响因素对传热性能的影响规律, 也可为进一步优化材料设计以及研制耐高温、轻质、高效隔
热材料提供可靠的理论支撑.”
国内同济大学也早在上世纪九十年代起开始关于气凝胶的研究，与德国大学进行合作开
展气凝胶的系列研究。另外中科院、北京科技大学、南京大学等高校和研究所也发表了关于
气凝胶的论文。但依然处于起步阶段，没有深入应用性研究领域。
国内气凝胶研究存在的问题：（1）生产工艺简陋，成品质量较差，不能生产超低密度的
气凝胶，与美国生产水平相差较远；（2）制作工艺是唯一可以控制气凝胶质量的方法，这也
限制了国内开展纳米材料的研究。 1.2 气凝胶的特点及应用
（1）光学性质
由于对蓝光和紫光透明硅气凝胶有较强瑞利散射,所以样品通常呈淡蓝色,因此气凝胶也
常被称为蓝烟。气凝胶的折射率几乎接近 1，对入射光几乎没有反射损失，能有效透过太阳
光，并阻止环境的热红外辐射[5]
。其具有良好的透光度,可用于制造特殊环境中使用的透镜。
（2）吸附性能
环保是新型气凝胶的第二个重要作用。气凝胶有较大的孔隙率这导致其表面有大量的小
孔，气凝胶又称为“超级海绵”，可以作为理想的吸附材料。美国劳伦斯•里弗莫尔国家实验
室(LLNL)将其研制的二氧化硅气凝胶应用于 Cerenkov 探测器。Plata等发明了一种能对氧气
浓度的改变做出迅速反应的气凝胶光学传感器
（3）优异的透明隔热材料
气凝胶是一种低密度多孔性的非晶体固体材料， 通过溶胶-凝胶工艺和超临界干燥法制备
而成。其孔隙结构以及骨架尺寸均处纳米量级，平均孔径低于空气分子的平均自由程，因而
气相热导率低于自由空气的热导率[6]
；气凝胶的孔隙率高达 80%-99.8%，固相比很低，固相导
热路径近乎无穷大；颗粒尺寸为纳米量级，阻碍声子的导热；内部结构近似于点接触，解除
热阻大[7]
。这四个因素导致气凝胶热导率低。
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