氣凝膠——一種神奇不神秘的保溫材料
文章出處：本站 人氣：45737 發(fā)表時間：2018-11-06 17:27:25
氣凝膠般可分為三類：氧化物氣凝膠（如SiO2、A12O3、TiO2、ZrO2、B2O3、CuO、MoO2、MgO、SnO2、Nb2O5、Cr2O3等）、有機碳氣凝膠（如氣凝膠、前驅(qū)體、氣凝膠、熱處理氣凝膠等）和碳化物氣凝膠。氣凝膠的組分也很多(如多相氣凝膠A12O3/SiO2、TiO2/SiO2、Fe2O3/A12O3、CuO/ZnO/A12O3、MgO/A12O3/SiO2等)。
氣凝膠材料的高孔隙率和納米骨架相互連接形成的介孔結(jié)構(gòu)決定了氣凝膠良好的隔熱性能。它有望作為高效保溫材料應(yīng)用于軍事和民用域，如高溫催化劑載體、高溫窯爐和超高速飛機等。
本文介紹了主要氧化物氣凝膠、碳化物氣凝膠等耐熱氣凝膠緣材料的研究進展。
氣凝膠神奇但不神秘
1、SiO2氣凝膠
SiO2氣凝膠是目前應(yīng)用廣泛的熱材料。Its porosity is as high as 80%~99.8%, the typical size of the hole is 1~100nm, the specific surface area is 200~1000m2/g, and the density is as low as 3kg/m3. 室溫下的熱導(dǎo)率可低至12MW/（M. K）。
具有實用價值的納米孔超熱材料必須同時具有良好的隔熱性能和力學性能。SiO 2氣凝膠通常與紅外遮陽劑和增強劑相結(jié)合，以改善SiO 2氣凝膠的隔熱性能和力學性能。常用的紅外遮陽劑有碳化硅、TiO 2(金紅石和銳鈦礦)、炭黑、六酸鉀等。常用的增強材料有陶瓷纖維、無堿超細玻璃纖維、多晶莫來石纖維、硅酸鋁纖維、氧化鋯纖維等。以美國航天局(NASA)Ames研究中心的SiO 2氣凝膠為增強材料，加入陶瓷纖維制備了SiO 2氣凝膠-陶瓷纖維復(fù)合保溫磚。與原保溫磚材料相比，導(dǎo)熱系數(shù)大大降低(表2)，同時具有定的機械強度。
2、A12O3氣凝膠
由于二氧化硅氣凝膠的低溫和熱穩(wěn)定性差，很難滿足高溫域的要求。因此，耐高溫氧化鋁氣凝膠已成為研究人員關(guān)注的焦點。氧化鋁氣凝膠是以美國Yoldas為原料制備的，具有密度低、導(dǎo)熱系數(shù)低、比表面積大、孔隙率高、使用溫度高等點。制備工藝與SiO 2氣凝膠相似。
以J.F.Poco為前驅(qū)體，采用超臨界干燥技術(shù)成功制備了種高溫、熱穩(wěn)定性好、孔隙率高、無斷裂的氧化鋁氣凝膠。
P.R.Aravind和Horiuchi在超臨界條件下制備了Al2O3/SiO2兩種氣凝膠。氣凝膠在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性，高溫度可達1200℃以上。
3、ZrO2氣凝膠
氣凝膠的孔徑小于空氣分子的平均自由程在氣凝膠沒有空氣對流,孔隙度高,固體的體積很低,很低的熱導(dǎo)率的凝膠。與二氧化硅氣凝膠相比,氧化鋯高溫氣凝膠的熱導(dǎo)率更低,更適合的應(yīng)用高溫隔熱,作為高溫隔熱材料方面有很大的應(yīng)用潛力。
然而，關(guān)于ZrO 2氣凝膠在隔熱域中的應(yīng)用，鮮有報道。研究人員主要致力于制備ZrO 2氣凝膠。以鋯鹽前驅(qū)體為原料，通過系列水解縮聚法制備了ZrO 2氣凝膠，由Teichner等人次制備。它的制備主要包括兩部分：濕凝膠的制備和干燥。超臨界干燥和冷凍干燥是常用的方法.常用的濕凝膠制備方法有鋯醇水解法、沉淀法、醇-水溶液加熱法、環(huán)氧丙烷滴加法和無機分散溶膠-凝膠法。以廉價無機鋯鹽為前驅(qū)體制備ZrO 2氣凝膠以及如何提高氧化鋯氣凝膠的高溫熱穩(wěn)定性是研究熱點之。
2011年，White等人。美國宇航局下屬的Ames研究中心將氧化物氣凝膠與瓷磚結(jié)合在起。方面，氧化物氣凝膠與陶瓷隔熱磚相結(jié)合；另方面利用了氣凝膠納米孔結(jié)構(gòu)的低熱導(dǎo)率.為了控制氣凝膠溶膠浸漬在保溫磚中的密度和深度，保證了材料的熱阻，同時大大提高了材料的隔熱性能。
南京工業(yè)大學吳曉棟課題組對纖維增強二氧化硅氣凝膠材料進行了相關(guān)研究。以莫來石纖維氈、硅酸鋁纖維氈、玻璃氈、石英纖維氈及其短纖維為增強體，與SiO2氣凝膠復(fù)配，制備了高導(dǎo)熱率、高導(dǎo)熱率的復(fù)合纖維氣凝膠。2014年，正硅酸乙酯(TEOS)用作硅源，ZrCl 4用作鋯源。成功地制備了原位納米纖維增強SiO氣凝膠.通過化學鍵合，發(fā)現(xiàn)氧化鋯納米纖維在氣凝膠中無序地插層，大大提高了復(fù)合材料的力學性能。
2.2 炭氣凝膠
與其它氣凝膠相比，碳氣凝膠大的特點是在惰性氣氛和真空氣氛下其耐溫性高達2000度。石墨化的耐溫性甚至達到3000攝氏度。此外，碳氣凝膠中的碳納米顆粒對紅外輻射具有好的吸收能力，從而產(chǎn)生類似紅外線的防曬霜。因此，其熱導(dǎo)率很低。然而，在有氧條件下，碳氣凝膠在高于350℃的溫度下被氧化，這限制了它們在高溫熱中的應(yīng)用。隨著SiC、Mo-Si2、HfSi2和TaSi2等高抗氧化涂層的發(fā)展，在碳氣凝膠表面涂覆了致密的抗氧化涂層，以防止氧的進步擴散。該材料具有廣闊的應(yīng)用前景。
如碳泡沫增強骨架,碳氣凝膠泡沫原位增強碳氣凝膠矩陣的高溫隔熱材料,制備過程是由常見的碳化消除了傳統(tǒng)方法之間的孔隙泡沫骨架和碳氣凝膠,惰性氣氛下的材料溫度高達3000℃,但其在室溫下導(dǎo)熱系數(shù)高達0.04 w . k . m - 1 - 1這主要是由于碳泡沫的固體導(dǎo)熱系數(shù)較大,和碳氣凝膠遮陽隔熱效果是不容易出現(xiàn)在室溫下。
2.3 碳化物氣凝膠
為了提高隔熱材料的高溫抗氧化性，提高飛機可重復(fù)飛行的保障性，研制了種新型的抗氧碳化物氣凝膠復(fù)合保溫材料。目前，國內(nèi)外對碳化物材料的研究主要集中在碳化鈦、碳化鉬、碳化硅等方面。然而，國內(nèi)外對碳化物材料的研究主要集中在納米顆粒、晶須和多孔陶瓷等方面。
2012年，同濟大學陳珂提出了酸催化法制備間苯二酚-甲醛/二氧化硅(RF/SiO 2)氣凝膠，采用碳化和鎂熱還原法低溫制備納米SiC氣凝膠的方法。成功地制備了硅酸鋁纖維氈增強SiC氣凝膠復(fù)合緣材料。然而，通過引入些耐熱性較好的陶瓷纖維，引入些紅外屏蔽劑，調(diào)整些工藝參數(shù)，可以獲得具有較好熱性能的SiC氣凝膠復(fù)合熱材料。
氣凝膠
展望：
(1)在氧化物氣凝膠中，主要的問題是缺乏耐高溫性能，特別是氧化硅氣凝膠，其高溫導(dǎo)熱系數(shù)較低，但在高溫下易燒結(jié)。通過引入更好的紅外遮陽劑或相變抑制劑，可以提高材料的熱穩(wěn)定性。對于氧化鋯等耐高溫氣凝膠，成型工藝尚不成熟。我們可以找到種新的制備方法或改進工藝條件，以制備具有良耐高溫性能的低導(dǎo)熱氧化物氣凝膠。
(2)碳氣凝膠在惰性氣氛中具有良的耐高溫性能和較低的導(dǎo)熱系數(shù)。但在好氧條件下，碳氣凝膠的耐熱性急劇下降，可長時間涂覆在高耐高溫、高抗氧化的碳氣凝膠表面。通過提高涂層與碳氣凝膠基體的結(jié)合能力，調(diào)整涂層工藝，提高了炭氣凝膠的抗氧化性能。
（3）由于在空氣中形成致密的氧化膜，碳化物氣凝膠具有異的耐溫性。然而，完整的塊狀碳化物氣凝膠的制備和研究尚處于起步階段。在今后的工作中，必須實現(xiàn)大量的碳化氣凝膠的有效制備。對其力學性能和熱性能進行了檢查和化。
(4)氣凝膠的應(yīng)用、低強度和高氣凝膠材料的脆性特性決定了很難單用作緣材料,必須增強等無機陶瓷纖維復(fù)合材料,可以在制備的過程中通過引入不同類型的高性能無機陶瓷纖維棉和防曬霜,防曬霜和纖維排列方式的內(nèi)容調(diào)整,化工藝條件,熱力學綜合性能越的制備高效隔熱材料。
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