中国复合材料学会作者：
穆锐1, 2，刘元雪1, 2，刘晓英1，张育新3，姚未来1, ，任俊儒1，陈金锋1， 成鑫磊1， 杨秀明1， 龚宏伟1
1.陆军勤务学院, 重庆 401331
2.岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室, 重庆 401331
3.重庆大学 材料科学与工程学院, 重庆 400030
基金项目:
国家自然科学基金项目(41877219基金)；陆军勤务学院科研创新团队项目(X205071306)。
正文
二十世纪30年代，气凝胶由美国学者Kistler教授首次以水玻璃为原料，采用乙醇超临界干燥工艺制备获得，它是一种充满孔隙的气相分散介质高分散固态材料，具有胶体粒子或高聚合物构成的纳米多孔结构，被认为是世界上最轻的固体材料[1-2]。由于气凝胶具有热导率低、密度低、孔隙率高以及比表面积大等功能特性，在航空航天、保温隔热、光学催化、隔声降噪等领域具有良好的应用前景，对航空航天探测、建筑低碳节能、能量存储转化、生物化学工业等方面发挥着重要作用，被誉为“改变世界的神奇材料”[3-4]。
随着气凝胶复合材料制备技术、方法及手段的不断创新发展，为满足航空航天、深空探测技术发展对隔声降噪、保温隔热等功能材料的迫切需要，气凝胶复合材料逐渐应用于飞行器舱室、飞行器配套设备、保温隔热层、宇航服夹层及火星探测器导电片中。近年来，诸多学者在航空航天领域对气凝胶及其复合材料的研制及推广应用方面取得了丰硕的研究成果。如：美国“MKV-22”鱼鹰倾转旋翼机采用气凝胶材料研制了机舱隔热和红外系统；英国“美洲豹”战斗机使用气凝胶材料完成了驾驶舱、机舱隔热壁的改型[5-6]。同样，为保障火箭发射任务，我国科研人员在“长征五号运载系统”中使用了气凝胶隔热毡，在“天舟一号”货运飞船中采用气凝胶隔热材料设计了一种低温锁柜，为空天探测任务提供有力支撑[7]。可见，气凝胶复合材料在航空航天领域具有较大的应用前景。鉴于此，本文以二氧化硅(SiO2)气凝胶复合材料在航空航天领域的研究情况为重要线索，回顾SiO2气凝胶复合材料的发展历程，从SiO2气凝胶复合材料的结构设计、研制方法及性能表征等方面出发，对其在航空航天领域的科学研究、应用前景、发展动态分析总结，并展望了SiO2气凝胶复合材料在航空航天领域未来的研究方向、发展趋势及关键科学问题，以期能为SiO2气凝胶复合材料在航空航天领域的科学研究与推广应用提供有益参考。
1. SiO2气凝胶复合材料发展回顾
SiO2气凝胶自1931年被发明以来，至今已有九十余年的历史，通常SiO2气凝胶被定义为“首先将前驱体液体逐渐转变为溶胶和凝胶，并通过干燥工艺形成SiO2颗粒相互连接的多孔三维纳米网络结构”[8]。研究表明，SiO2气凝胶与其他种类气凝胶相比，如：碳气凝胶、碳化物气凝胶、氮化物气凝胶、石墨烯气凝胶(GA)、量子点气凝胶等，具有质量轻、热导率低、孔隙率高、比表面积大、研究制备方法成熟以及应用前景大等显著特点。优异性能主要包括低密度0.003-0.200 g/cm3、超低介电常数1.2-1.6、超低热导率0.014-0.020 W/(m·K)、超高孔隙率80-99.8%和高比表面积500-1500 m2/g[3-5,9-13]，特别是三维纳米结构使其成为重量最轻的固体材料。尽管纯SiO2气凝胶是一种良好的保温隔热材料，但多孔纳米结构使其具有脆性、力学强度差等缺陷，在航空航天领域的保温隔热材料应用受限，导致研发工作和广泛应用十分困难。为解决上述难题，诸多学者利用纯SiO2气凝胶与增强材料的复合技术原理，研制出嵌入无机物、纤维和有机聚合物的复合气凝胶材料。表1总结了几类气凝复合材料的制备方法。
性能特征以及解决航空航天领域的关键科学问题。与纯SiO2气凝胶相比，这几类气凝胶复合材料的综合性能均得到明显改善，为其在航空航天领域扩大应用提供有力支撑。近年来，SiO2气凝胶复合材料作为良好的保温隔热、吸声材料和航天器结构材料的应用日益普及。SiO2气凝胶材料早已实现从纯SiO2颗粒单一组分的气凝胶到无机物复合SiO2气凝胶、纤维复合SiO2气凝胶以及有机聚合物复合SiO2气凝胶等多组分的SiO2气凝胶复合材料的转变，使其成为材料领域中发展最成熟、应用最广泛的材料之一，其发展及航空航天领域应用历程见图1。一般而言，根据复合气凝胶材料的工作温度可将其分为低温材料(＜600℃)、中温材料(600-1200℃)和高温材料(＞1200℃)，航空航天应用以中温和高温材料为主。在此基础上，根据增强材料的不同，进一步可分为氧化物复合SiO2气凝胶、纤维复合SiO2气凝胶以及有机聚合物增强SiO2气凝胶等几大类。常见气凝胶复合材料包括：SiO2-Al2O3气凝胶复合材料、SiO2-ZrO2气凝胶复合材料、SiO2-TiO2气凝胶复合材料、玻璃纤维增强气凝胶、陶瓷纤维增强气凝胶、碳纤维增强气凝胶以及聚合物复合SiO2气凝胶等。具体研究进展如下。
18221259202