二氧化硅气凝胶是以气体为分散介质的高孔隙率无机轻质纳米材料，本身的结构决定其同时具备多种独特优异性能，如低密度、高孔隙率、高比表面积、低折射率、低热导率和低介电常数等。二氧化硅气凝胶在实际应用中呈现出质脆和力学性能差的缺陷，且二氧化硅气凝胶因表面含有大量的Si—OH 而呈亲水性，吸湿或吸水后易造成骨架结构膨胀与破裂，所以不能单独使用。为了使气凝胶的优异特性得到更好的应用，可采用多种工艺（浸泡法、混杂压制成型、沉积法等）将二氧化硅气凝胶加工成复合制品，这些复合材料以超低的导热系数、无机材料的安全性能，以及极佳的憎水和耐久性能，成为材料领域的新星。近年来我国高速列车飞速发展，气凝胶的使用为车辆轻量化、噪声控制、综合节能等技术的突破提供了新材料支撑，现已初步应用在高速列车上。

目前气凝胶领域中二氧化硅气凝胶的研究最多，其生产和制造工艺相对成熟，也是应用最多的氧化物气凝胶。研究者们在前驱体、催化剂、老化工艺、表面改性和干燥工艺的研究选择上不断尝试，最终得到由Si—O—Si 链高度交联，以气体为介质具有三维骨架结构的开孔纳米固体材料。表1 显示了二氧化硅气凝胶的典型性能参数及应用。

表1 二氧化硅气凝胶的典型性能参数及应用

二氧化硅气凝胶高比表面积的特性使材料内部形成了近似无穷多的固/气界面，热量在每一层界面都会发生反射、吸收、透射和再辐射，进而降低热辐射。表2是二氧化硅气凝胶与普通多孔材料传热方式的对比。图1 显示了传统多孔隔热材料与二氧化硅气凝胶的绝热性能对比，从图中可以看出气凝胶的绝热性能明显优于传统隔热材料。相比其他保温材料，二氧化硅气凝胶热导率最低，质量最轻，耐热温度更高。实现相同保温效果，二氧化硅气凝胶厚度不足传统材料的 1/3，厚度更薄，散热面积更小，最大限度节约空间。

表2 二氧化硅气凝胶与普通多孔材料传热方式对比

图1 二氧化硅气凝胶与传统多孔隔热材料绝热性能对比

目前，世界上报道的纳米介孔绝热材料均以二氧化硅气凝胶作为纳米孔载体。但现有工艺制备出的超轻气凝胶均存在强度低、韧性差的缺点。目前实用价值较高的气凝胶复合材料都是采取各种方法对二氧化硅气凝胶进行增强增韧，如前驱体改性共聚合、纤维增强材料和聚合物交联增强等。

二氧化硅气凝胶复合材料可分为4大类：掺杂型硅基气凝胶复合材料、涂层型硅基气凝胶复合材料、互穿网络型硅基气凝胶复合材料以及组合型硅基气凝胶复合材料，微结构示意见图2。组合型硅基气凝胶绝热复合材料是将第二相材料以掺杂、涂层或互穿网络的形式组合在一起，以发挥３种复合改性材料的优点，克服缺点，形成综合性能更佳、适用性更好的复合材料。

高速列车因运行环境变化大、时速高、厢体夹层空间狭小，设计时青睐于高性能（如保温隔热、防火防爆、减振吸能、隔音降噪等）材料。二氧化硅气凝胶复合材料具有轻质、绝热、隔音、阻燃、疏水以及环保等优异性能，在未来高速列车车体优化设计中具有广泛的潜在应用价值。目前主要的二氧化硅气凝胶复合制品有绝热板、绝热毡、涂料、膜、颗粒、纸和异形件等，部分复合制品如图3 所示。

图3 二氧化硅气凝胶复合制品

二氧化硅气凝胶复合涂料通过利用二氧化硅气凝胶不同的特性，并添加颜填料、助剂等使其具备不同的功能。图4（a）是纳米孔隙结构的二氧化硅气凝胶粉体与耐高温黏结剂体系复合制备而成的阻尼胶，将其涂覆于高速列车车体结构金属板表面，如图4（b）所示。当金属板受到激发而产生弯曲振动时，其振动能迅速传递给紧密贴合的阻尼涂料，阻尼涂料通过内部相应错动和摩擦，使振动能量变为热能而损耗，起到减振降噪的作用。将二氧化硅气凝胶分散在专用高性能树脂乳液中可以制备水性涂料，其性能参数如下：热导率 0. 031 W/(m·K)，密度 120 kg/m3，阻燃性 V0 级，附着力 1. 2 MPa，憎水率不低于 98%。涂料被有效应用在高速列车车体上，可以达到结构减振降噪、隔热和表面防护的目的，实现冬夏季隔热保温，降低空调能耗等作用。图5 是钢结构用气凝胶防火涂料燃烧前后对比。此涂料厚度为3. 0 mm 时，耐火极限时间达2 h（一般防火涂料厚度需要3. 5 mm）；与钢板、铝板等金属材料附着力强，黏结强度大于1. 0 MPa；燃烧后金属板材不变形、不烧蚀，被应用于高速列车的承重钢结构件保护， 可有效阻止火势失控蔓延。

                           图4 二氧化硅气凝胶隔热阻尼胶及其应用

二氧化硅气凝胶与玻璃纤维、陶瓷纤维或者碳纤维等复合后得到毡类制品，虽隔热效果较好，但是表面纤维容易断裂、粉化，造成浮纤或粉末污染。为解决该问题，可将气凝胶复合层的外部覆盖一层更高强度、高韧性的材料，如膨体聚四氟乙烯和阻燃聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维的复合层，如图7 所示。

图6 二氧化硅气凝胶绝热毡在高速列车中的应用

目前，二氧化硅气凝胶复合材料在高速列车上的应用刚刚起步，大多作为小型辅助件配合主要部件完成对应技术要求。作为 21 世纪最具前景的新型节能环保材料，二氧化硅气凝胶复合材料正在以更多的产品形式丰富着市场。除了前文介绍的板材、卷材等，二氧化硅气凝胶玻璃作为新兴的节能玻璃也具备着诸多优势，如隔热、隔音降噪、抗风压性能好，无冷热自爆隐患，较好的透光性能，防结露且寿命可长达 30 年以上等。高速列车（以复兴号为例）的窗面积占车体表面积的5. 8% 左右，因行车过程产生的环境变化，这些开放面积对窗玻璃的要求极高，二氧化硅气凝胶玻璃的综合性能良好，具有潜在开发价值。另外，二氧化硅气凝胶作为一种新型的动能吸收材料，在吸能缓冲领域已经表现出广泛的应用前景。350 km/h 标准动车组和城际铁路客车的头部都使用了特殊的防爆减振材料，通过现有试验研究可知，二氧化硅气凝胶复合材料在高速列车头部特殊位置也具有开发应用价值。