剖析芳纶纤维增强气凝胶复合材料的隔热性能及其应用领域

1.引言

气凝胶是低密度、主要是介孔固体，具有优异的性能，包括低密度、高比表面积、低介电常数和超低导热率。如石墨烯或碳纳米管气凝胶、、聚氨酯和聚酰亚胺气凝胶、生物聚合物例如纤维素、壳聚糖和蛋白质气凝胶，以及它们的复合材料和杂化物。特别是在过去十年中，描述新气凝胶材料、生产工艺和应用的科学论文和专利数量呈现名副其实的爆炸式增长，涵盖隔热、输送、环境修复、催化和声学等领域。

尽管气凝胶领域的重要性日益凸显，或许正因为如此，“气凝胶”的定义仍存在争议。早期的定义通常基于生产过程中采用的干燥技术：如用于超临界干燥的气凝胶、用于冷冻干燥的冷冻凝胶和用于蒸发干燥的干燥凝胶。然而，较新的定义则更多基于材料特性，尤其是高比例的介孔性。最终，气凝胶最广泛的定义是通过用空气替代孔流体而从凝胶衍生的任何材料，在孔径或其他特性方面不作限制。这一更广泛的定义主要涵盖大孔材料，这些材料不具备通常与气凝胶相关的介孔性、高表面积或超低导热性，例如冻干纤维素泡沫。

二氧化硅气凝胶通过溶胶-凝胶工艺生产，已提出多种变体以提升资源和成本效益。然而，大多数工艺仍遵循相同的基本步骤。二氧化硅溶胶的凝胶化通常由添加酸或碱以降低纳米颗粒电荷稳定性而触发。凝胶化后，通过二氧化硅的溶解沉淀反应，加强颗粒间作用力，从而提升凝胶的机械稳定性。二氧化硅气凝胶的工业成功几乎完全得益于其在隔热应用中的表现。其导热系数低至0.012 W/（m·K），这主要归因于颗粒网络的高孔隙率和曲折性，限制了固体热传导；同时，由于克努森效应，小孔径低于气体分子平均自由程长度，减少了气相热传导。这种超低导热性（仅为常置空气和传统绝缘材料的一半）催生了快速增长的数亿美元市场。总热导率与材料密度密切相关，如图1所示。对于传统绝缘材料，辐射贡献显著，尤其在孔径极大时，空气对流亦不可忽视。随着密度增加，辐射热传导降低，而固体热传导增加。由于这些竞争效应，热导率对密度呈现U形依赖性。对于气凝胶材料，上述影响同样存在，但因气凝胶内孔径小于空气平均自由程，气相传导急剧降低，减少了空气分子碰撞频率，从而降低气体热传递，使得总热导率的最小值移至更高密度和（多）低电导率区域。

图 1. A） 传统绝缘材料的导热系数   B）气凝胶材料的导热系数

二氧化硅气凝胶纳米颗粒通过相互连接构建了多重网格结构，但颗粒间的连接较弱，导致纯二氧化硅气凝胶存在力学性能差、强度低、脆性强等缺点。为解决这些问题，研究者们探索了多种增强策略。芳纶纤维，以其低密度、低导热性和高机械强度，成为增强二氧化硅气凝胶的理想选择。芳纶纤维在空气中的分解温度高达约450°C，使其特别适合用于高温隔热应用。2016年，芳纶纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料（AF/气凝胶）成功制备，随后，缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）接枝芳纶纤维以及聚四氟乙烯涂层芳纶纤维气凝胶复合材料相继推出。这些复合材料在保持低密度和低导热性的同时，显著提高了抗压强度和弯曲强度。

进一步的研究表明，芳纶纤维的热性能和机械性能使其在防弹应用中表现出色。与芳纶织物相比，气凝胶整体的防弹测试样品中织物的穿孔率减少了72%。Almeida等人在2021年比较了二氧化硅气凝胶与芳纶纤维、毛毡的增强效果，发现使用细长纤维的复合材料具有更低的堆积密度和更好的柔韧性，适合于形状适应和振动应用。

图2芳纶增强气凝胶复合材料制备流程图

芳纶与气凝胶的复合，实现了材料性能的互补与提升。芳纶纤维作为增强体，为气凝胶提供了强大的力学支撑，改善了气凝胶的力学性能，而气凝胶则利用其隔热、吸音等特性，与芳纶纤维相辅相成。例如，通过湿法抄纸工艺制备的芳纶/气凝胶复合材料，在保持芳纶纸使用性能的同时，具有更好的耐热性能。这些复合材料在隔热领域的应用前景广阔，为材料科学的发展提供了新的思路和可能。

2.隔热性能：高温 “盾牌”

芳纶气凝胶复合材料的隔热性能堪称一绝，这主要得益于其独特的微观结构 。气凝胶内部拥有大量的纳米级孔隙，这些孔隙相互连通，形成了一个三维多孔网络结构 。当热量传递时，气体分子在孔隙中进行热传导，而气凝胶的高孔隙率使得气体分子的平均自由程增大，从而大大降低了气体的热传导效率 。同时，气凝胶的固体骨架由纳米级的颗粒或纤维构成，其表面积很大，热量在固体骨架中的传导也受到了极大的阻碍 。此外，气凝胶的低辐射率也使得其能够有效地阻挡热辐射的传递 。

在不同温度下，芳纶气凝胶复合材料的隔热效果都十分出色 。与传统的隔热材料如岩棉、玻璃棉相比，它具有更低的导热系数 。岩棉的导热系数一般在 0.04 - 0.06W/(m・K) 之间 ，玻璃棉的导热系数约为 0.03 - 0.05W/(m・K) ，而芳纶气凝胶复合材料的导热系数可低至 0.01-0.03W/(m・K) ，这意味着它能够更有效地阻止热量的传递。在高温环境下，传统隔热材料的性能可能会受到影响，如岩棉在高温下可能会发生收缩、脆化等现象 ，导致隔热性能下降 。而芳纶气凝胶复合材料则具有良好的热稳定性，能够在高温环境下保持稳定的隔热性能 。在工业高温设备中，如锅炉、熔炉等，芳纶气凝胶复合材料可用于制作隔热衬里、保温套等 ，有效减少热量的散失，提高能源利用效率 。在建筑外墙保温领域，使用芳纶气凝胶复合材料作为保温材料，可以显著降低建筑物的能耗，提高室内的舒适度 。在一些极端寒冷的地区，这种材料能够阻挡室外的寒冷空气进入室内，保持室内温暖；在炎热的夏季，又能阻止室外的热量传入室内，减少空调等制冷设备的能耗 。

3.应用领域

3.1航空航天

在航空航天领域，芳纶气凝胶复合材料可谓是大显身手。在飞行器结构件方面，它凭借自身出色的力学性能和低密度特性，成为了制造飞机机翼、机身、尾翼等部件的理想材料。以波音系列飞机为例，部分机型在结构件中采用了芳纶气凝胶复合材料，有效减轻了飞机的重量，提高了飞行性能 。与传统金属材料相比，芳纶气凝胶复合材料的密度大幅降低，这使得飞机在飞行过程中消耗的燃油减少，运营成本显著降低。同时，其高强度和高模量能够保证飞机在高速飞行和复杂气象条件下的结构稳定性，为飞行安全提供了坚实保障 。

在隔热部件方面，芳纶气凝胶复合材料的隔热性能使其成为了航空航天领域的 “隔热神器”。航天器在穿越大气层时，会与空气剧烈摩擦产生极高的温度，此时芳纶气凝胶复合材料制成的隔热部件能够有效地阻挡热量传递，保护航天器内部的设备和人员安全 。在国际空间站中，就应用了芳纶气凝胶复合材料来制作隔热材料，确保空间站在极端温度环境下能够正常运行 。它的应用还能降低航空发动机的热量散失，提高发动机的热效率，延长发动机的使用寿命。可以说，芳纶气凝胶复合材料的出现，为航空航天事业的发展提供了强大的技术支持，助力人类向着更高、更远的天空迈进 。

图3“美洲豹”战斗机驾驶舱机舱采用气凝胶隔热材料

3.2建筑领域

在建筑领域，芳纶气凝胶复合材料的应用为打造绿色、舒适、安全的家园提供了有力支持。在建筑保温材料方面，其优异的隔热性能能够有效阻止热量的传递，降低建筑物的能耗。无论是在寒冷的北方，还是炎热的南方，使用芳纶气凝胶复合材料作为保温材料，都能显著提高建筑物的能源效率 。在一些新建的绿色建筑中，采用芳纶气凝胶复合保温板，与传统保温材料相比，可使建筑物的能耗降低 20% - 30% ，大大减少了对能源的依赖，实现了节能减排的目标 。

在防火材料方面，芳纶气凝胶复合材料具有良好的阻燃性能，能够有效阻止火灾的蔓延，为人员疏散和消防救援争取宝贵的时间 。在一些高层建筑和公共场所，如商场、写字楼等，使用芳纶气凝胶复合材料制作防火门、防火隔墙等，能够提高建筑物的防火安全性 。它还能在火灾中保持结构的完整性，减少火灾对建筑物的破坏 。在隔音材料方面，其多孔结构能够有效地吸收和散射声波，降低外界噪音对室内环境的影响 。在靠近交通干线或工业区域的建筑中，使用芳纶气凝胶复合材料作为隔音材料，可使室内噪音降低 10 - 15 分贝 ，为人们创造一个安静、舒适的生活和工作环境 。

3.3耐火型摩擦纳米发电机（TENG）

芳纶/二氧化硅纳米纤维双网络复合气凝胶在柔性摩擦纳米发电机（TENG）中展现出巨大潜力。这种材料不仅具有高孔隙率、高拉伸强度、低热导率和大比表面积，还具备优异的耐火性能，能够在液氮中反复弯曲而不破坏结构，且不会出现传统气凝胶易掉粉的现象。这种特性使其在极端环境下（如消防服等智能防护织物）具有重要应用价值。

图4 (a) M-T/ANF气凝胶纤维与传统阻燃材料的LOI值比较。(b) 纯ANF气凝胶纤维和M-T/ANF复合气凝胶纤维的HRR曲线。(c) M-T/ANF复合气凝胶织物经过燃烧测试后的光学显微镜图。(d) 使用酒精灯对纯ANF气凝胶纤维进行垂直燃烧测试。(e) 使用酒精灯对M-T/ANF复合气凝胶纤维进行垂直燃烧测试。(f) M-T/ANF复合气凝胶织物暴露于火焰下不同时间的情况。

通过燃烧试验，研究人员发现芳纶气凝胶纤维因其大比表面积，阻燃性能差，火焰能够沿着纤维蔓延，而复合气凝胶纤维具有自熄、无熔滴的优异阻燃耐火性能。厚度为3.5mm的复合气凝胶织物暴露在酒精灯火焰5分钟，火焰仍无法烧穿织物。将复合气凝胶织物作为TENG的摩擦层制备的TENG具有稳定的电输出性能，在整流后能点亮10盏LED灯泡。并且，TENG暴露在酒精灯火焰中5秒后，其电输出性能仍然能保留94%,显示出极高的稳定性。这种有机无机双网络气凝胶纤维的制备策略为开发高性能和多功能气凝胶纤维材料应用于极端环境提供了更多可能性。

3.4热绝缘材料

芳纶纤维能够有效分散并传递应力，避免应力集中导致二氧化硅气凝胶结构破坏。这种复合材料在高温下的热绝缘性能显著优于纯二氧化硅气凝胶，适用于建筑保温、工业隔热等领域。

4.发展现状与挑战

在当前的气凝胶市场中，二氧化硅气凝胶纤维复合材料以其卓越的隔热性能占据了主导地位，占据了市场收入的85%。尽管如此，这一材料在市场上的应用仍然相对有限，主要集中在隔热领域。全球的生产商和分销商主要分布在北美、亚洲和欧洲地区。二氧化硅气凝胶纺织复合材料被认为是未来热超绝热领域最具前景的解决方案之一。然而，与传统的保温材料如矿棉、发泡聚苯乙烯（EPS）和聚氨酯（PUR）泡沫以及无机多孔材料如珍珠岩相比，二氧化硅气凝胶在市场上的份额仍然较小，仅占全球保温材料市场份额的百分之二左右。

尽管二氧化硅气凝胶在隔热性能方面表现出显著优势，但其市场推广和应用却面临多重挑战。首先，二氧化硅气凝胶的密度通常较高，这与外界过度宣传的“世界上最轻的材料”形象有所出入。实际上，许多其他材料如纤维素、聚氨酯乃至棉花在密度上都低于二氧化硅气凝胶，而过低的密度反而会增加气体传导，进而影响其隔热效果。其次，二氧化硅气凝胶的生产成本高昂，远超传统保温材料，这在很大程度上制约了其市场交易量。再者，二氧化硅气凝胶的结构脆弱，机械强度较差，容易在外力作用下破碎，这对其实际应用范围和性能稳定性构成了显著挑战。尽管如此，二氧化硅气凝胶的研究和应用仍具备广阔的发展前景。技术发展趋势表明，未来研究将聚焦于提升芳纶纤维增强气凝胶的机械强度、热稳定性和阻燃性能。此外，随着环保意识的不断提升，开发可回收的芳纶纤维增强气凝胶将成为重要研究方向。通过优化制备工艺，如改进湿法纺丝法的工艺参数，降低生产成本，也将有力推动二氧化硅气凝胶的大规模工业化生产。

综上所述，尽管二氧化硅气凝胶在隔热材料市场中具有独特的优势，但其在市场推广和应用上仍需克服一系列技术和成本上的挑战。未来的发展将依赖于材料性能的进一步提升、成本的降低以及可持续性的增强。随着相关技术的不断进步，二氧化硅气凝胶有望在隔热材料市场中占据更加重要的地位。

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