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【主编荐读】崔升：低成本硅基气凝胶材料研究进展

发布时间：2025-05-28 浏览次数：

专栏故事

为了响应国家科技创新的号召，分享行业最新科研成果，凸显行业前沿动态，推动学术交流和科研发展，同时增强读者与作者之间的互动和交流，《先进无机纤维》（原《玻璃纤维》）期刊特别策划“主编荐读”专栏，每月推出一篇由本刊主编推荐的优秀论文。欢迎大家对主编荐读的论文进行评论和互动，共同助力期刊高质量发展。本期为大家带来“主编荐读”——《低成本硅基气凝胶材料研究进展》，作者：南京工业大学材料科学与工程学院院长崔升。

2025年第2期

低成本硅基气凝胶材料研究进展

崔升

（1.南京工业大学材料科学与工程学院，南京 211816 ；

2.江苏省先进无机功能复合材料协同创新中心，南京 211816）

摘要：硅基气凝胶因其出色的多孔性、低密度和良好的热绝缘性能而备受关注。然而，传统的硅基气凝胶合成方法常常昂贵且复杂，限制了其广泛应用的可能性。近年来，研究人员一直致力于开发低成本的硅基气凝胶制备方法。主要论述了硅基气凝胶的低成本制备研究进展，包括廉价硅源的选择、低成本干燥方式、溶剂体系以及低成本硅基复合材料研发等，强调了选择廉价原材料和采用高效的制备工艺以实现低成本生产的重要性，并对低成本硅基气凝胶材料研究进行了展望。

关键词：低成本；硅基气凝胶；干燥方式；无机硅源；溶剂体系；纤维复合

项目编号：2023YFB3812300；202201JBGS18-01

基金项目名称：国家重点研发计划项目；全国建材行业重大科技攻关项目

前言

气凝胶材料通常是指以纳米级颗粒或聚合物分子链相互聚集形成纳米多孔结构，在纳米孔洞中充满气态分散介质的三维多孔轻质固体材料^［1-3］。气凝胶材料因其高表面积、低密度和高孔隙率等特性，在隔热保温、催化吸附、生物医学和环境保护等领域受到广泛关注。

气凝胶的出色性能和多功能性质使其在各种领域中具有广泛的应用前景。例如，在石油化工领域，气凝胶被用作隔热材料进行管道保温^［4］。在建筑领域，有助于提高建筑的能源效率^［5］。在航空航天领域，气凝胶被用于热保护，以防止高温环境对航天器和卫星的损害^［6］。在环保和清洁能源领域，气凝胶可用于吸附和分离有害气体或有害离子等，展现了其在绿色技术中的巨大潜力^［7］。此外，气凝胶还在生物医学应用、油污清理、催化剂等多个领域具有潜在的应用，使其成为理想的功能性材料^［8-11］。

尽管硅基气凝胶具有诸多优异性能，但在实际应用中仍面临许多挑战，尤其是在生产成本和能耗方面。在传统的硅基气凝胶的生产过程中，所需的原材料成本高昂，制备工艺复杂且能耗巨大，这使得其大规模应用面临着较大的经济压力。特别是在航空航天、建筑和工业节能等领域，硅基气凝胶的高成本限制了其广泛应用和产业化的进程^［12］。目前，硅基气凝胶的传统制备方法主要依赖于溶胶—凝胶法，这种方法通常使用四乙氧基硅、硅烷类化合物等高成本的硅源，且需要超临界干燥等能耗较高的工艺，这大大增加了硅基气凝胶的生产成本^［13］。此外，溶胶—凝胶法的制备过程较为复杂，需要精准的控制反应条件、溶剂、pH值等，操作门槛较高。因此，如何降低硅基气凝胶的生产成本，探索新的原料来源和更高效的制备工艺，成为了当前材料科学领域的一个重要课题。

近年来，随着绿色化学和可持续发展的理念深入人心，科研人员纷纷将目光投向低成本硅基气凝胶的原料创新和工艺优化。低成本硅基气凝胶的研究进展，不仅包括通过替代传统硅源降低材料成本，还涉及到在保持或提高材料性能的前提下，采用低能耗、环保的生产方式，这些研究成果在大大降低生产成本的同时，也为硅基气凝胶的广泛应用提供了更加可行的方案。本文综述了硅基气凝胶材料低成本研究的重要进展，降低硅基气凝胶制备成本的途径，包括气凝胶干燥方式、硅源选择、能源消耗的减少以及采用节能和环保的方法等（如图1所示），强调了选择廉价原材料和采用高效的制备工艺以实现低成本生产的重要性，并对低成本硅基气凝胶材料进行了展望。

图1 低成本气凝胶材料的研发

低成本硅源的探索

硅基气凝胶的原料主要是硅源，传统制备方法通常使用昂贵的有机硅源，如正硅酸甲酯、正硅酸乙酯和功能性硅烷等，这导致了高昂的制备成本，并且国内供给低。为了克服这一挑战，研究者们已经开始探索使用无机硅源和固废材料作为替代原材料的策略，以实现硅基气凝胶的低成本制备。

1.1 以水玻璃制备硅基气凝胶

传统使用硅醇盐（如正硅酸四甲酯或正硅酸四乙酯）^{［14，15］}或者有机改性醇盐（如甲基三甲氧基硅烷或三甲基乙氧基硅烷）^［16］作为二氧化硅前驱体，其价格昂贵，是考虑大规模生产时的一个重要因素。因此，水玻璃作为合格的二氧化硅前驱体出现。水玻璃，又称硅酸钠，可作为一种常见且成本较低的硅源用于制备硅基气凝胶。Gurav^［17］等人以水玻璃为原料，利用单步溶胶—凝胶法常压干燥，成功制备了具有低密度（0.066g/cm³ ）、高疏水性（145^。）、高孔隙率（97%）、高孔容积、高表面活性、高吸附性、高热稳定性的二氧化硅气凝胶。通过水蒸气借助水凝胶而不是离子交换来去除Na⁺，减少气凝胶的制备时间。Pan^［18］等人以水玻璃为硅源，经交换树脂去除Na⁺，与叔丁醇混合，冷冻干燥制得硅气凝胶。叔丁醇替代传统溶剂优化了气凝胶的孔结构，气凝胶的比表面积为761.3m²/g，具有良好的热稳定性，热导率为0.0215W/（m·K），可有效地应用于建筑隔热材料方向。

为了缩短加工时间和降低生产成本，Bhagat^［19］等人报道了一种用于合成疏水性二氧化硅基气凝胶粉末的简单共前驱体方法，如图2所示，该方法使用硅酸钠水溶液或水玻璃为原料，无需事先进行离子交换，并使用六甲基二硅氮烷（HMDZ）作为有机改性的共前体，并在常压下干燥。在此过程中，表面改性剂直接与水玻璃混合，实现混合网络， Maria^［20］等人更深入地研究了硅酸钠与HMDZ之间反应的细节，合成具有最佳反应产率（80%）的超疏水杂化二氧化硅气凝胶粉末。这种共前驱体方法具有更快的表面改性和更好的内部疏水性的优点，缩短了制备时间的同时还省去了溶剂交换。 Zhao^［21］等人以水玻璃为前驱体，加入庚烷以及六甲基硅氮烷（HMDS）为疏水剂，一锅法常压干燥1h 获得了低密度（0.083g/cm³ ）、低热导率［0.02W/（m·K）］、高比表面积（800m²/g）硅气凝胶粉体。其整个合成过程时间小于2h，缩短了制备硅气凝胶的生产时间，水玻璃作为廉价的二氧化硅前驱体，为降低隔热应用二氧化硅气凝胶粉末的生产成本提供了绝佳的机会。

图2 杂化二氧化硅气凝胶粉末的制备流程图^［20］

1.2 以固废矿渣为原料制备

固废矿渣是各类工业过程中产生的废弃物，包括粉煤灰^［22］、焚烧底灰^［23］、煤矸石^［24］等。这些废弃物含有丰富的硅元素，且通常被忽视或处理不善，导致环境问题和资源浪费。将固废矿渣重新利用为硅基气凝胶的原材料，不仅有助于有效减少废物排放，还为硅基气凝胶制备提供了一种具有可持续性和环保特点的途径。

煤炭能源的使用导致全球产生大量粉煤灰^［22］。 Wu^［25］等人以粉煤灰和铁矿石为原料，采用经济有效的常压干燥技术制备了高孔隙耐温（500 ℃ 热处理样品比表面积高达856.2m²/g）疏水性（接触角高达151^。）二氧化硅气凝胶，制备示意图和样品如图3所示。Le^［26］等人利用废轮胎胶粉和粉煤灰合成一种先进的气凝胶，既能解决环境的双重问题，又能生产出具有很高适用性的绿色低成本材料。所制得的气凝胶具有超低密度（0.055g/cm³）和高孔隙率（95.6%），使其成为导热系数为0.027W/（m·K）的优良绝缘体。

图3 粉煤灰和天然硅酸盐制备二氧化硅气凝胶的方法示意图^［25］

焚烧底灰是垃圾焚烧发电厂产生的一种固体废物，通常用于减少城市生活垃圾体积，最高达90%。

Lu^［23］等人通过化学处理、凝胶化、联合溶剂交换和表面改性等工序，在36h内从焚烧底灰中制造出了二氧化硅气凝胶粉末。制得的二氧化硅气凝胶具有0.025W/（m ·K）的低导热系数、786m²/g 的高表面积和96.36% 的高孔隙率。

Wei^［27］等人报道了一种以廉价的工业固体废弃煤矸石为原料制备硅气凝胶的前驱体硅酸钠，采用一锅法常压干燥制备二氧化硅气凝胶，该方法可以降低工业生产二氧化硅气凝胶的成本，实现固体废物高附加值利用。Gu^［28］等人以煤矸石为原料，在琼脂糖气凝胶小球中构建了SiO₂- Al₂O₃气凝胶，化学气相沉积法制备了SiO₂-Al₂O₃/ 琼脂糖复合气凝胶小球。此复合气凝胶小球具有良好的热稳定性和隔热性能，且不需要昂贵的原材料。

1.3 以自然资源为原料制备

自然资源广泛存在于地球上，包括稻壳、矿物、木质纤维等，这些资源富含硅元素。通过提取这些自然资源的硅成分可以制备出低成本的硅基气凝胶，使得这些自然资源具有潜在的硅基气凝胶可持续性制备价值和低成本优势。

Li^［29］等人通过包含高剪切混合和冷冻干燥操作的简单且环保的方法，从可再生玉米秸秆和滤纸中制备低成本、超轻的玉米秸秆基海绵状气凝胶。由于其超低密度、高孔隙率、理想的疏水性等优越特性，玉米秸秆基海绵状气凝胶对原油、二甲基亚砜、N，N-双甲基甲酰胺和包括四氯化碳（CCl₄）在内的常见有机溶剂均表现出显著的吸收能力。这可能有助于设计高效的溢油和有机污染物吸附剂，以满足可持续发展的需求。 Halim^［30］等人以稻壳灰为原料，采用水玻璃路线和常压干燥法制备了直径在0.5~3.0mm 之间的近球形疏水二氧化硅气凝胶颗粒。Hainan^［31］等人以硅藻土为原料，碱溶法制备模数为3.1的前驱体水玻璃，采用常压干燥法制备了PMMA改性二氧化硅气凝胶。

干燥方式的革新

硅基气凝胶材料的制备过程中，干燥方式是影响成本和性能的关键因素之一。干燥的选择不仅直接影响了生产的能耗，还与成本、质量和应用性能紧密相关。因此，本章将围绕硅基气凝胶制备中的干燥方式低成本研究进行综述。

据许多研究人员报告，超临界干燥是最适用于从湿凝胶生产气凝胶的方法，且不会造成太大的收缩和结构破坏^{［13，32，33］}。将湿气凝胶置于临界点以上的温度和压力条件下，其所有表面张力消失，毛细管力不再起作用，因此凝胶孔隙中的液体很容易被清除^［34］。此方法虽然具有较短的干燥时间、更高的成品质量，但超临界干燥的条件需要高压和高温，导致生产过程中设备昂贵、能耗高。因此，低成本硅基气凝胶需要在干燥方式研究中找到经济可行的替代方法。

2.1 常压干燥方式

在硅基气凝胶制备中，常压干燥是一种传统的干燥方式。在这个过程中，湿气凝胶样品暴露在常温和常压条件下，以允许水分逐渐蒸发，将气凝胶从液态转变为固态。常压干燥设备简单、不需要特殊的设备和较低的能耗，从而达到低成本硅基气凝胶的制备。

Mazraeh-shahi^［35］等人以正硅酸乙酯（TEOS）为原料，通过乙醇溶液老化、正己烷溶液洗涤、含5% 三甲基氯硅烷（TMCS）的正己烷溶液进行表面改性，经常压干燥成功制备了小颗粒和孔隙均匀且有规律地生长的SiO₂气凝胶，形成均匀的三维SiO₂网络结构。通过设法消除毛细管力的破坏作用以及增强凝胶网络骨架结构，从而实现去除湿气凝胶中的溶剂，同时保持凝胶骨架和网络结构不被破坏。Luo^［36］等人报道了通过简单的溶胶—凝胶工艺，低成本的环境压力干燥制备了高温隔热的坚固有机硅气凝胶。制备的关键在于利用长链聚甲基甲氧基硅氧烷作为骨架，以双官能团有机烷氧基硅烷为交联剂，从而形成3D交联Si—O—Si网络。长链聚甲基甲氧基硅氧烷可以通过增强凝胶颗粒之间的结合来促进稳健凝胶骨架的形成，而双官能团有机烷氧基硅烷可以通过调节交联度来调节凝胶的微观结构和机械性能。所得气凝胶的密度较低，约为0.3g/cm³，低温导热率约为0.03W/（m·K），以及高达 3.7MPa的优异抗压强度。此外，它们在800℃的空气和氮气气氛中均表现出卓越的热稳定性，残余质量超过70%。值得注意的是，这些有机硅气凝胶在高温隔热材料方面显示出巨大的潜力，其中20mm厚的气凝胶板可以承受1000 ℃的火焰500秒，背面温度仅为60 ℃。 Çok^［37］等人采用两步溶胶—凝胶法在常压干燥条件下合成二氧化硅气凝胶，采用不同硅烷质量分数对湿气凝胶进行两步表面改性，以控制干燥过程中不可逆收缩的程度。Chen^［38］等人合成了2种桥式硅氧烷前驱体，分别使用甲醇和乙醇作为溶剂，所有产物均在环境压力下直接干燥，无需任何溶剂交换过程制备了稳健的气凝胶。制备的气凝胶在反复压缩试验中可承受60% 的变形，表现出良好的机械性能。在上文Gurav^［17］、Bhagat^［19］等人在使用廉价无机硅源的同时，采用常压干燥的方式制备硅气凝胶，进一步降低了其生产成本。

虽然常温、常压下干燥制备气凝胶可以解决超临界干燥气凝胶的问题，但由于常压制备气凝胶仍存在溶剂使用过多、工艺时间长、制备成本高、密度有限等潜在问题，研发新的常压干燥工艺，进一步解决凝胶收缩开裂问题，实现气凝胶的大规模生产和实际应用是非常必要的。

2.2 冷冻干燥方式

冷冻干燥法是在低温低压下，溶剂和凝胶进行冷冻，再进行升华处理的干燥技术^［39］。它是一种由液体溶剂和溶质颗粒组成的前体在模具中冷冻成固体，固化溶剂晶体在低压和低温条件下升华，使液体气体界面转化为固体气体界面，通过消除气体和液体的差异，降低毛细管力，保持干样品的体积和结构不变，从而获得多孔材料的成型方法。

冷冻干燥法操作简单，成本相对较低，可以通过对冷冻条件的控制，可制备具有特殊孔隙结构的气凝胶。Yang^［40］等人通过溶胶— 凝胶浸渗法单向冷冻干燥制备了一种具有单向孔结构的纳米多孔二氧化硅气凝胶/Si₃N₄复合材料。该材料具有高比表面积（185m²/g）、小平均孔径（10nm）、低导热系数［0.043W/（m ·K）］、低介电常数和低损耗正切。Zhai^［41］等人提出了一种通过冷冻干燥法生产杂化二氧化硅气凝胶的环保方法。在冷冻干燥系统中，去离子水是唯一的溶剂，使用甲基三甲氧基硅烷（MTMS）和水玻璃作为共前驱体，通过酸碱催化和溶胶—凝胶法制备杂化气凝胶。结果发现，所有样品均表现出双介孔结构，共前驱体的摩尔比对气凝胶的性能有显著影响。随着MTMS摩尔比的增加，振实密度降低，孔隙率增加，而气凝胶的热扩散系数和热导率先降低后增加。特别是当摩尔比为2.0时，杂化气凝胶表现出优异的绝缘性能，例如：热扩散系数为0.0183m²/s，热导率为0.0460W/（m·K）和高达540 ℃的良好热稳定性。

在超绝缘材料中实现介孔结构对于保证低导热性、高孔隙率和低密度之间的和谐关系至关重要。Di Luigi^［42］等人分别通过实施冷冻干燥和常温压力干燥工艺制备了二氧化硅基低温凝胶和气凝胶材料。获得的冻干冷冻凝胶产生的热导率为23.0mW/（m ·K），比表面积为369.4m²/g，孔隙率为96.7%，而常温压干燥气凝胶的导热系数为23.6mW/（m·K），比表面积为473.8m²/g，孔隙率为97.4%。此外，通过冷冻干燥获得的纤维增强纳米复合材料具有低导热率［28.0mW/（m·K）］和高机械性能（620kPa最大压应力和715kPa的杨氏模量），再加上先进的阻燃能力，而来自常压干燥过程的复合材料具有28.8mW/（m·K）的导热系数、200kPa最大压应力和612kPa的杨氏模量。上述结果突出了2种干燥工艺在开发用于节能应用的隔热材料方面的能力。

2.3 燃烧干燥方式

超临界干燥、冷冻干燥和常压干燥都是基于物理原理的被动干燥模式，其干燥时间长、能耗大，甚至设备昂贵，导致气凝胶的生产成本非常高，限制了其广泛应用。然而，Li^［34］等人成功地将燃烧干燥法（CDM）用于超疏水二氧化硅气凝胶的合成， CDM制备气凝胶的机理示意图如图4所示。CDM法制备的二氧化硅气凝胶具有典型的低密度、高孔隙率、高比表面积、高总孔隙体积、超疏水性和高热稳定性的气凝胶结构。与超临界流体干燥、冷冻干燥和环境压力干燥相比，CDM 由于采用主动干燥方式，在干燥效率和低成本生产方面具有显著优势。

a 燃烧火焰；b CMD制备气凝胶机理。

图4 CDM制备气凝胶的机理示意图^［34］

降低溶剂/催化剂成本

3.1 溶剂选择

在传统硅基气凝胶制备过程中，溶剂通常占据相当大的成本比例，例如甲醇、乙醇等。选择廉价的水溶剂，可以降低成本。Wang^［43］等人以甲基三甲氧基硅烷/十六烷基三甲氧基硅烷（MTMS/DTMS）为前驱体，以蒸馏水为溶剂，通过简单的常压干燥法制备了一种柔性介孔气凝胶。Song^［44］等人基于水玻璃/水体系制备了低成本SiO₂气凝胶（WSA），并在甲基硅酸钠（SMS）和pH 的双重作用下实现了气凝胶网络结构的调控。WSA具有极低的密度（88.5kg/m²）和导热率［0.02114W/（m·K）］以及高疏水性（150^。）。WSA 的成本比常压干燥低53.0%，比商业气凝胶低21.5%。

节省溶剂使用也可以提高制备效率和降低成本。Huang^［45］等人报道了一种节省有机溶剂制备二氧化硅气凝胶的方法，有机溶剂的消耗量比以前的制备路线最大减少39%。此外，开发可回收和循环使用的溶剂系统同样也有望使得硅基气凝胶成本得到有效降低。

3.2 催化剂

在一些制备方法中，需要催化剂来加速凝胶形成或固化过程。选择低成本的催化剂制备方法可以减少制备成本。Wu^［46］等人以水玻璃为原料，CO₂气体为催化剂促使胶凝，采用低成本的常压干燥技术制备了二氧化硅气凝胶，制备流程如图5所示。凝胶过程中，CO₂与水玻璃溶液发生反应，凝胶基质中存在大量Na⁺的地方发生凝胶化。由于使用了更便宜的水玻璃前驱体、环境压力干燥技术和二氧化碳气体作为凝胶剂，通过这种相对廉价和环保的方法生产的二氧化硅气凝胶材料有望实现大规模生产。

图5 以CO₂为凝胶剂的水玻璃二氧化硅气凝胶制备^［46］

低成本硅基复合材料的开发

随着材料科学技术的不断发展，新型低成本复合材料的开发已成为推动现代工业和技术进步的重要方向。尤其是在硅基气凝胶领域，低成本复合材料的研发不仅能够提高气凝胶的性能，还能大幅降低生产成本，提升其在各类应用中的经济可行性。通过将低成本的添加材料与气凝胶相结合，科研人员已成功制备出一系列具有优异性能的复合材料。这些新型复合材料不仅能够增强气凝胶的机械强度、耐久性和耐热性，还具有更加优异的多功能性，适应了航空航天、建筑、能源等多个领域对高性能材料的需求。

4.1 有机纤维气凝胶复合材料

有机纤维主要用于赋予气凝胶更高的柔韧性，但在干燥过程中提供增强/减少收缩，用有机纤维增强的二氧化硅气凝胶复合材料如图6所示。天然有机纤维被视为合成聚合物的环保替代品，可减少工业产品的碳足迹。尽管如此，有机天然纤维并未经常用作二氧化硅气凝胶增强材料。棉花是报道最多的一种，要么用作纺织结构或作为原棉^{［47，48］}。亚麻和洋麻有机天然纤维^{［49，50］}也在二氧化硅气凝胶复合材料的开发中被提及。

a 打结 b 弯曲现象

图6 有机纤维增强的二氧化硅气凝胶复合材料^［51］

纤维素纤维（在纳米和微米尺度上）具有多功能性，可为常压干燥、超临界干燥或冷冻干燥路线提供二氧化硅—纤维素气凝胶的增强。纤维素纤维^［52］的广泛可用性和低成本，再加上常压干燥，使开发高效复合材料变得轻而易举。

根据现有文献^［53］，第一种嵌入二氧化硅气凝胶中的有机纤维是合成聚丙烯，采用增强吸附材料的无纺布结构。该复合材料的开发用于去除空气和污水处理中的有害化学物质，甚至用于药物过滤。用三甲基氯硅烷进行表面处理后，气凝胶复合具有疏水性，接触角为135^。。纤维的添加降低了气凝胶的吸附性能，但改善了复合材料的机械性能，使其可用于实际应用。然而，据作者称，这些二氧化硅—聚丙烯气凝胶复合材料在吸附苯、甲苯或四氯化碳方面的性能优于传统的吸附材料。

4.2 无机纤维气凝胶复合材料

无机纤维成分主要是以氧化物为主，具有耐高温、耐腐蚀、稳定性好等优点。无机纤维主要分为玻璃纤维、陶瓷纤维及其他无机纤维。

玻璃纤维是一种常见的增强材料，其优点包括高强度、高模量和耐腐蚀性等。玻璃纤维与气凝胶的复合材料，能够充分发挥玻璃纤维的力学强度，提升气凝胶的结构稳定性和抗冲击性能。玻璃纤维/气凝胶复合材料通常应用于建筑、航空航天等领域，用于制造隔热层、保温板以及高温保护系统。 An^［54］等人报告了一种玻璃纤维增强气凝胶复合材料的通用制造方法，在这种复合材料中，交联二氧化硅气凝胶的三维纤维网络结构表现出超绝缘性和机械弹性。这些出色的性能是在常压干燥环境下，通过分子组装诱导气凝胶与玻璃纤维之间的原位交联反应获得的。最终得到的超轻气凝胶复合片材密度为0.1g/cm³，应变恢复能力强（＞50%），导热系数低［0.0253W/（m ·K）］。这种隔热气凝胶复合材料为超弹性气凝胶的制造提供了启示，并可推广到节能建筑应用中。并且由于玻璃纤维具有较高的拉伸强度，因此其复合材料可以在极端环境下保持较高的稳定性。

陶瓷纤维是一种新型的耐高温材料，具备优异的耐高温氧化性、耐腐蚀性及较高的强度和硬度。在氧化性或有毒有害气氛中，陶瓷纤维仍能保持较高的强度，表现出良好的稳定性。陶瓷纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料是高超声速飞行器热防护领域的新型隔热材料。Meng^［55］等人报道了一种隔热二氧化硅基陶瓷纤维气凝胶，该气凝胶材料具有优异的抗压强度、弹性模量和非常高的耐高温极限。所获得的陶瓷气凝胶的一个独特之处在于：二氧化硅基纤维在其公共接头处连接和焊接在一起，同时保持这些丰富的多尺度孔隙，形成多个熔结，这与随机放置弱连接纤维的网络形成鲜明对比。所获得的块状陶瓷纤维气凝胶可以承受80% 以上的最大弹性应变，测得的抗压强度高达3.89MPa（80%压缩应变）。这些陶瓷气凝胶在-196~1300℃ 的超宽温度范围内表现出稳定的弹性和结构完整性。同时，气凝胶具有优异的机械强度，500次循环后能量损失系数稳定在0.35，在800℃的情况下最低的热导率为0.092W/（m ·K）。

除了玻璃纤维和陶瓷纤维，还有一些其他类型的无机纤维复合气凝胶材料。Kang^［56］等以玄武岩纤维、高硅玻璃纤维和高硅玻璃纤维复合材料为基体，制造了3种纤维/二氧化硅气凝胶复合材料。系统研究了这些复合材料在800~1000 ℃ 高温加热条件下的尺寸、结构、机械和隔热稳定性。原始高硅玻璃纤维/二氧化硅气凝胶复合材料的极限拉伸强度和热导率分别为0.74MPa和0.53MPa，0.0213W/（m·K）和0.0279W/（m·K）。这种新型复合材料导热系数低、强度高、热稳定性好，有望成为防火应用的理想材料。

结论与展望

硅基气凝胶材料的生产成本主要集中在硅源、干燥设备方面，气凝胶降本主要从原料成本和干燥设备成本着手。近几年，低成本硅基气凝胶领域取得了显著的研究进展。研究人员通过采用廉价原料和工艺优化有效地降低了硅基气凝胶的生产成本，使其更具产业化可行性。廉价硅源和高效工艺的选择也符合可持续发展的理念。通过减少对昂贵或稀缺原材料的依赖以及降低生产过程的能耗成本，硅基气凝胶的生产过程更加环保和可持续，也有利于减轻环境压力。因此，选择廉价原材料和高效的制备工艺，不仅有助于降低硅基气凝胶的生产成本，还有利于其更广泛、可持续地应用于各种实际场景。

硅基气凝胶低成本制备仍然面临一些挑战，硅基气凝胶生产线智能化程度较低，导致产业化率低，成为行业痛点。未来的研究可以致力于进一步提高气凝胶的制备效率，并通过绿色、可持续低成本的方法来合成气凝胶以提高效率的方式降低成本。因此，无机硅源/水体系结合（半）连续式干燥这种在原料和设备上降低成本的方式有望成为硅基气凝胶降本的新趋势。硅基气凝胶低成本制备研究的未来发展充满了希望，通过不断的努力和创新，为社会和科学技术的进步做出更大的贡献。

致谢：本文也得到苏磊老师的大力支持，在此表示感谢！