1. 目的及意义（含国内外研究概况）

1.1. 设计目的及意义

随着纳米技术的高速发展，人们对纳米孔超级绝热材料产生了极大的兴趣，国外超级绝热保温材料的发展近年来明显加快，美国和欧洲各国对此的研究异常活跃，日本和韩国也在进行这方面的研究。相比于传统绝热材料，纳米孔超级绝热材料可以在体积更小、质量更轻、厚度更薄的条件下达到与之相同甚至是更好的隔热效果。飞机上的黑匣子、NASA的航天飞机、高温燃料电池、“美洲豹”战斗机等都将这种材料用作其隔热材料。在国内此类产品也早已成为奥运场馆建设中不可或缺的建筑材料。气凝胶就是这样一种极其特殊的纳米孔超级绝热材料，它拥有所有固体材料中最低的密度，每立方米气凝胶仅重3千克，而我们日常生活中接触最多的气体空气，其密度也有1.293kg/m³，气凝胶作为一种固体，密度只有空气的两倍多这是由于气凝胶材料中气孔率极高，气孔率甚至可以达到99.8%。又由于气凝胶材料气孔率高，也就意味着它的比表面积很大，由此可以将其用作性能优良的催化剂载体。二氧化硅气凝胶同时也有着强吸附的特性，可以广泛用以各种制造领域中的气体吸附。气凝胶因其密度小、耐腐蚀、耐火、耐高温的特性，非常适合用于航空航天领域的隔热环节，但是其又具有脆性大、高温易析晶、热震时易坍缩等问题，这些问题极大地制约了其在相关研究领域中的应用，因此常常将其与其他材料进行复合来扬长补短。复合后的气凝胶复合材料可以用于隔热领域，可以用于航空航天领域，还可以用于现代化武器的动力装置上，因为其防止了热量的向外逸散，极其有利于反红外侦查，在民用领域同样大有用处，如果将其放入楼房的墙体之中，即可以利用其导热率低的特性来获得冬暖夏凉的神奇效果。还可以用于冰箱之中替代氟利昂，保护大气层。

而本论文研究的目的就是通过将硬硅钙石绝热材料与硅气凝胶复合的方法，来制备出有一定力学性能块体材料。复合成后的块体材料将在具有一定的强度适于应用的同时也有远低于现存其他绝热材料的导热系数，将突破由于纯气凝胶材料脆性大而带来的种种限制，其应用前景将会十分广泛。

1.2. 国内外研究现状

在1931年，关于气凝胶的研究成果首次发表在《Nature》杂志上，它最先由美国斯坦福大学的Kistler教授发明。但由于Kistler教授制备气凝胶的工艺十分复杂而且耗时太长，并且使用的超临界干燥方法危险系数高、费用较贵，不利于普及，因此气凝胶一直未能得到有效的推广，没能引起广大科研工作者的重视，在这之后的几十年时间里进展十分缓慢。

到了20世纪60年代，Peri教授以硅脂为原料，首次尝试使用了溶胶—凝胶工艺，相较于Kistler教授的制备方法，极大缩短了气凝胶的合成时间，为我们提供了一条合成气凝胶的新思路，促进了气凝胶研究的进一步发展。与此同时，Teichner教授使用正硅酸甲脂(TMOS)作为硅源，令其在甲醇溶液中水解得到醇凝胶，再经过超临界干燥处理，制备出了二氧化硅气凝胶，再一次简化了气凝胶的制备过程，又是更多的学者投身到了气凝胶材料的研究开发之中。到了20世纪80年代，美国伯克利国家实验室的一个课题组的成员另辟蹊径，选用了安全无毒害的正硅酸乙酯(TEOS)取代有较大毒性的正硅酸甲酯（TMOS），并用CO₂取代乙醇作为介质进行超临界干燥，CO₂相较于乙醇，超临界温度更低而且不会燃烧减轻了安全隐患，这样的制备方法有效地降低的原料的毒性也使得干燥操作更加安全。到了20世纪90年代，Brinker教授用表面改性的技术在常压下制备了二氧化硅气凝胶。目前美国等国家都在航空航天领域大量的应用了气凝胶材料，而且也有了大量商业化的气凝胶产品，虽然价格高昂，但是气凝胶材料在许多高新领域有着广泛的应用，暂时处于无可取代的地位，例如德国的BASF公司、美国ASPEN公司和瑞典的Airglass公司等。

国内对于气凝胶材料的研究则于20世纪90年代才刚刚起步，时至今日，关于二氧化硅气凝胶的研究已经全面推广，同济大学、国防科学技术大学、中国科学技术大学、中科院物理与化学研究所等机构都在进行相关研究工作。

缩短制备工艺周期、降低生产成本、简化使用设备，制备出性能良好的SiO₂气凝胶复合材料，可以是未来发展的方向。科研人员可以致力于纯气凝胶制备工艺改良，来降低生产成本并提高产品性能，还可以另辟蹊径纤维材料等添加到SiO₂气凝胶中制备绝热复合材料，增强纯SiO₂气凝胶的强度和高温绝热性能的同时降低SiO₂气凝胶使用量，使之成为普通工业和民用领域用得起的超级绝热材料。

2. 研究的基本内容与方案