1 研究背景

随着经济和工业发展以及环境保护需要，能源紧缺问题已成为世界性问题，我国作为世界上能源消耗的第一大国，节能已成为一项刻不容缓的任务，节能最有效的措施之一就是开发新型的环境友好型的高效节能材料。

气凝胶是一种具有三维纳米多孔网络结构的固体材料，由于其具有高比表面积、高孔隙率、低密度和低热导率的特点，被广泛应用于隔热、催化和吸附领域。SiO₂气凝胶作为气凝胶材料中最常用的一种，又被称之为”冻烟”，其组成中95%以上都是气体，拥有很高的比表面积（高达1000 m²/g），孔隙率可以达到98%-99%，是目前世界上密度最低的固体。由于其纳米多孔的网络结构使其在很大程度上抑制了固体和气体热传导，所以SiO_2shy;气凝胶具有极低的热导率（低至0.013W/ m#183;K）。

但是由于纯硅气凝胶对波段3-8微米的红外线是透过的，所以当应用环境温度升高时，其热导率会急剧上升，限制了气凝胶材料在高温环境下的应用。为了解决这个问题，通常要在纯硅气凝胶中添加红外遮光剂，常用的遮光剂有炭黑、TiO₂、六钛酸钾晶须等。炭黑作为红外阻隔剂对纯硅气凝胶进行掺杂，确实可以大幅削弱辐射传热，但是炭黑高温稳定性差、易分解，同样限制了其在高温环境中的应用。本课题旨在通过制备TiO₂掺杂SiO₂气凝胶来解决纯硅气凝胶在高温下热导率急剧上升的问题，以期在工业高温隔热领域有较为广泛的应用。

2 TiO₂-SiO₂复合气凝胶概述

2.1 TiO₂掺杂硅气凝胶

TiO₂可以有效阻隔红外辐射作用，目前大部分将TiO₂粉末（钛白粉）超声分散掺杂在SiO₂溶胶中。孙登科等^[1]在纯SiO₂溶胶中掺杂纳米TiO₂粉末（钛白粉），通过溶胶凝胶法制得了TiO₂掺杂硅气凝胶，并且主要研究了其高温隔热性能。测得500℃和 800℃下 10%TiO₂掺杂量硅气凝胶导热系数仅分别为0.0372W/(m#183;K)和0.0495W/(m#183;K)。Y. G. Kwon等^[2]添加5wt.%TiO₂粉末采用常压干燥法制备出了分散均匀的复合气凝胶，350℃热处理后该复合气凝胶材料的常温热导率为0.0136 W/(m#183;K)，400℃热导率为0.0284 W/(m#183;K)。有效降低了纯硅气凝胶的导热系数，使纯硅气凝胶在高温下隔热性能的损失得到极大改善。

凝胶时间对复合凝胶质量有很大影响，时间过短会造成SiO₂凝胶聚合反应不完全，过长则会使TiO₂沉降导致掺杂不均匀，对凝胶时间的控制成为制备高质量、高性能掺杂气凝胶的关键因素。张贺新等^[3]研究了pH值和乙醇含量对TiO₂掺杂SiO₂制备的影响，发现当pH=6，乙醇/TEOS=8时可以把凝胶时间控制在10分钟内，得到分散均匀的湿凝胶并且网络结构比较完整。

2.2 二元TiO₂-SiO₂复合气凝胶

目前较多的是使用物理法，直接将钛白粉掺杂在复合溶胶-凝胶体系中^{[1, 4]}。但是钛白粉粒度一般在0.05-0.3微米左右，容易造成钛白粉颗粒在溶胶中分散不均匀、易团聚的情况，从而使复合气凝胶材料比表面积和孔洞率急剧降^[5]，反而会影响热导率的降低。