《现代技术陶瓷》 Advanced Ceramics,2018,39(1)1-39 124机械性能 气凝胶的抗压强度、拉伸强度和弹性模量都非常低,并且在很大程度上取决于凝胶网络连接情 况和凝胶密度咧。事实上,采用一些特殊前驱体制备的多孔SiO2气凝胶可以被弹性地压缩,且压缩 幅度可以达到50%以上0 目前为止研究了许多增强SiO2气凝胶的方法,最常见的方法是老化和复合o例如,以聚二 甲基硅氧烷(PDMS)和烷氧基硅共前驱体方法获得的复合SiO2气凝胶具备很好的柔韧性。当PDMS 质量分数为20%时,将其弹性压缩至自身体积的30%也不会发生任何损坏。采用二氧化锆纤维 增强二氧化锆气凝胶能克服其本身易碎的缺点,很大程度上提高了二氧化锆气凝胶的机械性能1o 此外,气凝胶与聚合物聚合相互交联也能大大提高其机械性能o。Li等人0成功制备了芳族 聚酰胺纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料(AF/气凝胶),其具有低密度,显示出优良的柔韧性和保 温性能。三点弯曲实验表明,可以通过约5%的纤维含量实现柔性的改善而不降低其隔热性能。但 随着使用时间的延长,气凝胶的抗压强度和弹性模量增加,而断裂应变下降,其亚临界裂纹扩展符 合应力腐蚀机制。如果对气凝胶进行疏水修饰则可大大降低其裂纹扩展速度10。 Shao等人用硅酸钠与共前体甲基三乙氧基硅烷(MIES)混合,然后通过离子交换过程来消 除钠杂质,再采用正己烷稀释的三甲基氯硅烷(IMCS)进行修饰,得到的二氧化硅气凝胶体积收缩 率小于10%,表现出优异的物理性能。尽管其显示低密度和脆性特征,但其机械性能在某些特殊场 合具有很好的应用前景。例如,它们的良好压缩性可以有效地用于吸收在压缩冲击中的动能10 SiO2气凝胶是能够有效地限制几个eV等离子体低冲击的阻抗材料,可以用于捕获高冲击压力 下产生的冷冻矿物,或作为介质来研究需要X射线诱导流体的混合冲击0.1 12.5吸附和存储性能 氧化物气凝胶由于具有高孔隙率,因而可有效地用于捕获各种发光分子或纳米颗粒12-14Kim 等人提出了空心硅胶气凝胶液滴模型,Jang等人将氧化物气凝胶成功地应用于流体的惯性约 束 氧化物气凝胶的可控孔径和高比孔容使得其具有药物释放或向环境释放农药的功能 气凝胶也可用于吸附或提取一些化合物,例如处理废水、限制放射性废物或过滤气体等8。而 烧结后机械性更强的气凝胶则可储存或运输液体,如利用SiO3气凝胶进行储存作为火箭燃料的不对 称1,1-二甲基肼(UDMH)1。 采用掺杂的方式也可以使气凝胶获得优异的性能, Owens等人在SO2气凝胶中掺杂金属钒 和铜并结合超临界干燥技术制备了具备吸附性能的SiO2气凝胶,其在NO3等气体的脱除方面的具有 广泛应用。研究同时表明,掺杂多种金属的SO2气凝胶稳定性会更好1 此外,有些气凝胶颗粒也可以用作复合材料的分散相以增加材料的硬度、耐磨性120。 2有机气凝胶 2.1有机气凝胶的制备工艺 自20世纪80年代末 Pekala等人2以间苯二酚和甲醛为原料首次成功合成了间苯二酚-甲醛(RF) 有机气凝胶以来,近年来又相继制备出许多不同种类的有机气凝胶,如由三聚氰胺和甲醛合成三聚 氰胲-甲醛(MF)气凝胶2、由线性酚醛树酯和糠醛合成出的酚醛树酯-糠醛(PF)气凝胶1等。 有机气凝胶制备过程与无机气凝胶制备过程相似,采用有机物单体或低聚体溶于溶剂中,经过 化学反应生成链状或无序枝状网络结构,经溶胶-凝胶过程实现凝胶化;溶剂置换后,再经超临界干 燥除去溶剂得到干燥后的气凝胶。下面简单介绍研宄最多的MF和RF气凝胶制备方法。第 1 期 《现代技术陶瓷》 Advanced Ceramics, 2018, 39 (1): 139  11  1.2.4 机械性能 气凝胶的抗压强度、拉伸强度和弹性模量都非常低，并且在很大程度上取决于凝胶网络连接情 况和凝胶密度[99]。事实上，采用一些特殊前驱体制备的多孔 SiO2 气凝胶可以被弹性地压缩，且压缩 幅度可以达到 50% 以上[100]。 目前为止研究了许多增强 SiO2 气凝胶的方法，最常见的方法是老化和复合[101]。例如，以聚二 甲基硅氧烷 (PDMS) 和烷氧基硅共前驱体方法获得的复合 SiO2 气凝胶具备很好的柔韧性。当 PDMS 质量分数为 20% 时，将其弹性压缩至自身体积的 30% 也不会发生任何损坏[102]。采用二氧化锆纤维 增强二氧化锆气凝胶能克服其本身易碎的缺点，很大程度上提高了二氧化锆气凝胶的机械性能[103]。 此外，气凝胶与聚合物聚合相互交联也能大大提高其机械性能[104]。Li 等人[105]成功制备了芳族 聚酰胺纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料 (AF/气凝胶)，其具有低密度，显示出优良的柔韧性和保 温性能。三点弯曲实验表明，可以通过约 5% 的纤维含量实现柔性的改善而不降低其隔热性能。但 随着使用时间的延长，气凝胶的抗压强度和弹性模量增加，而断裂应变下降，其亚临界裂纹扩展符 合应力腐蚀机制[106]。如果对气凝胶进行疏水修饰则可大大降低其裂纹扩展速度[107]。 Shao 等人[108]用硅酸钠与共前体甲基三乙氧基硅烷 (MTES) 混合，然后通过离子交换过程来消 除钠杂质，再采用正己烷稀释的三甲基氯硅烷 (TMCS) 进行修饰，得到的二氧化硅气凝胶体积收缩 率小于 10%，表现出优异的物理性能。尽管其显示低密度和脆性特征，但其机械性能在某些特殊场 合具有很好的应用前景。例如，它们的良好压缩性可以有效地用于吸收在压缩冲击中的动能[109]。 SiO2 气凝胶是能够有效地限制几个 eV 等离子体低冲击的阻抗材料，可以用于捕获高冲击压力 下产生的冷冻矿物，或作为介质来研究需要 X 射线诱导流体的混合冲击[110, 111]。 1.2.5 吸附和存储性能 氧化物气凝胶由于具有高孔隙率，因而可有效地用于捕获各种发光分子或纳米颗粒[112114]。Kim 等人[115]提出了空心硅胶气凝胶液滴模型，Jang 等人[116]将氧化物气凝胶成功地应用于流体的惯性约 束。 氧化物气凝胶的可控孔径和高比孔容使得其具有药物释放或向环境释放农药的功能[117]。 气凝胶也可用于吸附或提取一些化合物，例如处理废水、限制放射性废物或过滤气体等[118]。而 烧结后机械性更强的气凝胶则可储存或运输液体，如利用 SiO2 气凝胶进行储存作为火箭燃料的不对 称 1,1二甲基肼 (UDMH) [16]。 采用掺杂的方式也可以使气凝胶获得优异的性能，Owens 等人[119]在 SiO2 气凝胶中掺杂金属钒 和铜并结合超临界干燥技术制备了具备吸附性能的 SiO2 气凝胶，其在 NOx 等气体的脱除方面的具有 广泛应用。研究同时表明，掺杂多种金属的 SiO2 气凝胶稳定性会更好[119]。 此外，有些气凝胶颗粒也可以用作复合材料的分散相以增加材料的硬度、耐磨性[120]。 2 有机气凝胶 2.1 有机气凝胶的制备工艺 自20世纪80年代末Pekala等人[23]以间苯二酚和甲醛为原料首次成功合成了间苯二酚甲醛 (RF) 有机气凝胶以来，近年来又相继制备出许多不同种类的有机气凝胶，如由三聚氰胺和甲醛合成三聚 氰胺甲醛 (MF) 气凝胶[121]、由线性酚醛树酯和糠醛合成出的酚醛树酯糠醛 (PF) 气凝胶[122]等。 有机气凝胶制备过程与无机气凝胶制备过程相似，采用有机物单体或低聚体溶于溶剂中，经过 化学反应生成链状或无序枝状网络结构，经溶胶凝胶过程实现凝胶化；溶剂置换后，再经超临界干 燥除去溶剂得到干燥后的气凝胶。下面简单介绍研究最多的 MF 和 RF 气凝胶制备方法