《Journal of the American Ceramic Society》：Anomalous Sintering and Structural Evolution of APD Silica Aerogels Under Extreme Thermal Conditions
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本研究表征了常压干燥（APD）二氧化硅气凝胶在高真空环境（1 × 10?5 Torr）下、温度范围400°C–900°C内的烧结行为。在1–30 min的等温处理表明，残余有机物种在600°C时被完全去除，通过孔道重新开放导致比表面积（S
本研究表征了常压干燥（APD）二氧化硅气凝胶在高真空环境（1 × 10?5 Torr）下、温度范围400°C–900°C内的烧结行为。在1–30 min的等温处理表明，残余有机物种在600°C时被完全去除，通过孔道重新开放导致比表面积（SSA）暂时增加至468 m2/g。烧结动力学分析揭示了一种异常的、非单调的温度依赖性；速率常数（K）遵循600°C > 900°C > 800°C的顺序。此外，X射线衍射（XRD）分析表明，在800°C观察到的动力学延迟与结构无序度的峰值同时发生，这由非晶晕的显著宽化（半高峰宽，FWHM）所证实。在800°C至900°C之间，致密化通过表面扩散主导的机制恢复，在此特定区间内估算的表观活化能约为58 kJ/mol。这些发现确立了非晶结构无序程度与纳米多孔二氧化硅骨架致密化动力学之间的明确相关性。
二氧化硅气凝胶是一种超轻质纳米多孔材料，孔隙率高达95%以上，具有极高的比表面积（SSA）和极低的热导率（约0.015 W/m·K），在电动汽车锂离子电池热失控防护中作为关键隔热屏障。其制备通常采用溶胶-凝胶法，并通过超临界干燥（SCD）或常压干燥（APD）获得。APD工艺成本低，但需对表面进行疏水改性（如使用三甲基氯硅烷，TMCS），因而材料中残留有机基团。这些有机基团需在低于400°C的温度下热处理去除，以避免高温下燃烧。然而，当气凝胶用作高温隔热材料时，不可避免会发生结构演化。以往研究多集中于定性的现象描述，对烧结过程中时间依赖的动力学机制缺乏定量认识。因此，本研究系统研究了APD二氧化硅气凝胶在400°C–900°C高真空条件下的结构演化，并建立定量动力学框架，以预测其在极端热梯度下的长期稳定性。
研究人员以商业APD疏水二氧化硅气凝胶（Gelhouse Co. Ltd.，韩国）为原料，该材料由水玻璃基溶胶-凝胶路线合成，经溶剂交换和TMCS表面改性后常压干燥。在高真空炉（1×10
?5 Torr）中，以5°C/min的速率升温至目标温度（400°C–900°C），并等温保持1、10或30 min。每个条件使用至少3个独立样品。表征手段包括N
2吸附-脱附（Brunauer–Emmett–Teller（BET）法测SSA和孔体积）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析表面化学基团，以及X射线衍射（XRD）分析硅骨架的结构演变。
以下按论文主体小标题总结研究结果。
### 3.1 表面化学转变与结构演化的关联
研究人员通过BET和FT-IR发现，原始样品SSA为303.8 m
2/g，经400°C热处理30 min后增加至约435 m
2/g，这归因于残余有机官能团（如–CH
3）的热分解和吸附水的脱除，使原本堵塞的纳米孔重新开放。FT-IR光谱表明，代表疏水甲基的振动带（约1258 cm
?1的Si─CH
3弯曲、约2960 cm
?1的C─H伸缩）在600°C时完全消失，而Si─O─Si骨架振动（约1050 cm
?1不对称伸缩和约445 cm
?1弯曲）在整个温度范围内保持稳定，仅发生轻微位移，说明硅氧烷网络整体完好但存在局部畸变。超过600°C后，SSA随温度升高线性下降，至900°C时为373 m
2/g，表明粘性流动驱动的烧结开始主导致密化。
### 3.
