SiO2氣凝膠具有三維納米級孔隙結構，孔隙率極高，且具有密度低、比表面積大、導熱係數低等優點，是一種性能優異的絕熱材料，在航空航天、工業保溫、建築材料等領域具有廣闊的應用前景。但由於SiO2氣凝膠次級粒子之間的作用力較弱，使其存在強度低、韌性差的缺點，且其表分布基具有親水性，孔隙吸水後會導致隔熱性降低，純SiO2氣凝膠很難同時滿足力學性能、隔熱性能和疏水性的要求。因此，在實際應用中，如何提高SiO2氣凝膠的力學性能和疏水性，成為目前研究的熱點。
SiO2氣凝膠獨特的網絡結構及高孔隙率是其具有獨特性能的主要原因，也是其脆性大、強度低的主要原因。影響SiO2氣凝膠性能的主要因素有溶液的酸鹼度、組分配比、反應時間及溫度、後處理工藝、乾燥工藝等。
SiO2氣凝膠力學性能提高方法主要有：纖維增強法、構建骨架增強法、有機－無機雜化合成法。
目前，利用纖維提高SiO2氣凝膠力學強度是十分有效的方法,主要工藝步驟為：（1）以矽源為原料，通常採用水解和縮聚反應製備得到SiO2溶膠；（2）將SiO2溶膠與纖維結合，通過工藝控制其凝膠得到纖維/SiO2複合凝膠；（3）對複合凝膠進行陳化、老化、表面改性及乾燥等後期工藝處理，製備纖維/SiO2氣凝膠複合材料。
一般情況下，纖維材料與SiO2氣凝膠進行複合後，無機陶瓷纖維可提高SiO2氣凝膠的抗壓性能，纖維素纖維可提高SiO2氣凝膠的抗拉伸性能。雖然在SiO2氣凝膠中引入纖維，能夠增強其力學性能，但也可能增加SiO2氣凝膠固相傳熱，影響隔熱性能。所以，纖維增強法對纖維材料材質、纖維在溶膠相中的分散均勻性，以及溶膠對纖維的包覆性有很高的要求。
目前用於改善SiO2氣凝膠性能的纖維很多，如玻璃纖維、玻璃棉氈和電紡纖維等，由於不同纖維具有不同的力學及熱學性能，對SiO2氣凝膠力學和隔熱性能也會有不同的改善效果。根據纖維尺寸及形貌特徵將其分為三大類型：常規束狀纖維、預製件纖維和納米纖維。
構建骨架增強法是利用複合材料的結構作為支撐，使SiO2氣凝膠受到的應力轉移到骨架材料上。SiO2氣凝膠不再是主要應力作用對象。複合骨架材料可選用天然的多孔材料，也可用有機或無機凝膠作為複合載體。在複合過程中SiO2氣凝膠與骨架材料產生的交聯結構可增強其力學性能。
史丹福大學崔屹教授通過構建骨架增強法，不僅提高了介孔SiO2氣凝膠的力學性能，還成功地設計和製造了超強增強複合聚合物電解質。相互連接的SiO2氣凝膠不僅作為強化整個複合材料的強支柱，而且為強陰離子吸附提供了大而連續的表面，從而產生穿過複合材料的高導電通路。該項研究成果，不僅代表了固態電解質的新設計原理，並為未來的全固態鋰電池提供了機會。
有機－無機雜化合成法是將有機分子基團連接到SiO2氣凝膠粒子間或表面上，增強SiO2氣凝膠的力學性能。有機－無機雜化合成的方法一般有兩種：一是通過共前驅體凝膠方式，將柔性有機矽醇鹽與一般前驅體共同水解縮合；二是在共前驅體溶膠中加入高分子聚合物，與已有的有機官能團進行接枝合成。通過有機－無機雜化合成的SiO2氣凝膠是提升其力學性能最有效的方法。利用柔性有機矽醇鹽（矽烷偶聯劑），如甲基三甲基矽烷、氨基丙基三乙氧基矽烷等製備出的SiO2氣凝膠具有良好韌性。帶有極性官能團的柔性有機矽醇鹽（矽烷偶聯劑）水解後縮聚，或與高活化能的羥基脫氫縮合，使大量的極性官能團暴露在SiO2氣凝膠表面，增加了氣凝膠表面能。在乾燥時極性官能團之間產生的斥力也保護了氣凝膠孔隙結構的完整性。同時SiO2氣凝膠表面的羥基減少，減小了氣凝膠的收縮。
美國航天局格倫研究中心利用有機－無機雜化合成法研發了以縮脲基團交聯的SiO2氣凝膠。將雙異氰酸鹽溶劑加入到四甲氧基矽烷和氨基丙基三乙氧基矽烷混合溶膠中，使前驅體上的氨基與異氰酸根縮合，最終製得縮脲交聯SiO2氣凝膠。經力學測試和熱傳導測試，縮脲基團交聯SiO2氣凝膠具有優良的力學性能和耐熱性。
SiO2氣凝膠疏水化改性主要方法有兩種：共前驅體改性法和溶劑交換－表面疏水改性法。
筆者的話：SiO2氣凝膠材料現已進入產業化生產，提高其力學性能主要以纖維複合增強法為主，然後在形成凝膠後利用表面疏水改性法進行改性，提高其疏水性能。但仍存在隔熱性能不穩定、製備工藝較複雜的缺點。目前，利用有機－無機雜化合成SiO2氣凝膠是最有效、便捷的方法，但對其改性過程還需精準控制，探尋高效的有機雜化材料，實現SiO2氣凝膠的多功能性。可以預見，隨著對SiO2氣凝膠力學性能的改善，具有獨特性質的SiO2氣凝膠將在熱學、聲學、光學、電學等領域獲得更為廣泛的應用。
參考文獻：
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2、梁玉瑩，吳會軍，遊秀華，纖維改善SiO2氣凝膠的力學和隔熱性能研究進展，矽酸鹽通報。
3、陳宇卓，歐忠文，劉朝輝，隔熱材料SiO2氣凝膠改性研究進展，化工新型材料。
作者：樂心