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气凝胶——一种神奇不神秘的保温材料

文章出处:本站    人气:307    发表时间:2018-11-06 17:27:25

气凝胶一般可分为三类:氧化物气凝胶(如SiO2、A12O3、TiO2、ZrO2、B2O3、CuO、MoO2、MgO、SnO2、Nb2O5、Cr2O3等)、有机碳气凝胶(如气凝胶、前驱体、气凝胶、热处理气凝胶等)和碳化物气凝胶。气凝胶的组分也很多(如多相气凝胶A12O3/SiO2、TiO2/SiO2、Fe2O3/A12O3、CuO/ZnO/A12O3、MgO/A12O3/SiO2等)。
气凝胶材料的高孔隙率和纳米骨架相互连接形成的介孔结构决定了气凝胶良好的隔热性能。它有望作为高效保温材料应用于军事和民用领域,如高温催化剂载体、高温窑炉和超高速飞机等。
 
本文介绍了主要氧化物气凝胶、碳化物气凝胶等耐热气凝胶绝缘材料的研究进展。
气凝胶神奇但不神秘
1、SiO2气凝胶
SiO2气凝胶是目前应用最广泛的绝热材料。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. 室温下的热导率可低至12MW/(M. K)。
 
具有实用价值的纳米孔超绝热材料必须同时具有良好的隔热性能和力学性能。SiO 2气凝胶通常与红外遮阳剂和增强剂相结合,以改善SiO 2气凝胶的隔热性能和力学性能。常用的红外遮阳剂有碳化硅、TiO 2(金红石和锐钛矿)、炭黑、六酸钾等。常用的增强材料有陶瓷纤维、无碱超细玻璃纤维、多晶莫来石纤维、硅酸铝纤维、氧化锆纤维等。以美国航天局(NASA)Ames研究中心的SiO 2气凝胶为增强材料,加入陶瓷纤维制备了SiO 2气凝胶-陶瓷纤维复合保温砖。与原保温砖材料相比,导热系数大大降低(表2),同时具有一定的机械强度。
 
2、A12O3气凝胶
由于二氧化硅气凝胶的低温和热稳定性差,很难满足高温领域的要求。因此,耐高温氧化铝气凝胶已成为研究人员关注的焦点。氧化铝气凝胶是以美国Yoldas为原料制备的,具有密度低、导热系数低、比表面积大、孔隙率高、使用温度高等优点。制备工艺与SiO 2气凝胶相似。
以J.F.Poco为前驱体,采用超临界干燥技术成功制备了一种高温、热稳定性好、孔隙率高、无断裂的氧化铝气凝胶。
P.R.Aravind和Horiuchi在超临界条件下制备了Al2O3/SiO2两种气凝胶。气凝胶在高温下具有良好的热稳定性,最高温度可达1200℃以上。
3、ZrO2气凝胶
 
气凝胶的孔径小于空气分子的平均自由程在气凝胶没有空气对流,孔隙度高,固体的体积很低,很低的热导率的凝胶。与二氧化硅气凝胶相比,氧化锆高温气凝胶的热导率更低,更适合的应用高温隔热,作为高温隔热材料方面有很大的应用潜力。
然而,关于ZrO 2气凝胶在隔热领域中的应用,鲜有报道。研究人员主要致力于制备ZrO 2气凝胶。以锆盐前驱体为原料,通过一系列水解缩聚法制备了ZrO 2气凝胶,由Teichner等人首次制备。它的制备主要包括两部分:湿凝胶的制备和干燥。超临界干燥和冷冻干燥是常用的方法.常用的湿凝胶制备方法有锆醇水解法、沉淀法、醇-水溶液加热法、环氧丙烷滴加法和无机分散溶胶-凝胶法。以廉价无机锆盐为前驱体制备ZrO 2气凝胶以及如何提高氧化锆气凝胶的高温热稳定性是研究热点之一。
2011年,White等人。美国宇航局下属的Ames研究中心将氧化物气凝胶与瓷砖结合在一起。一方面,氧化物气凝胶与陶瓷隔热砖相结合;另一方面利用了气凝胶纳米孔结构的低热导率.为了控制气凝胶溶胶浸渍在保温砖中的密度和深度,保证了材料的热阻,同时大大提高了材料的隔热性能。
南京工业大学吴晓栋课题组对纤维增强二氧化硅气凝胶材料进行了相关研究。以莫来石纤维毡、硅酸铝纤维毡、玻璃毡、石英纤维毡及其短纤维为增强体,与SiO2气凝胶复配,制备了高导热率、高导热率的复合纤维气凝胶。2014年,正硅酸乙酯(TEOS)用作硅源,ZrCl 4用作锆源。成功地制备了原位纳米纤维增强SiO气凝胶.通过化学键合,发现氧化锆纳米纤维在气凝胶中无序地插层,大大提高了复合材料的力学性能。
 
2.2 炭气凝胶
 
       与其它气凝胶相比,碳气凝胶最大的特点是在惰性气氛和真空气氛下其耐温性高达2000度。石墨化的耐温性甚至达到3000摄氏度。此外,碳气凝胶中的碳纳米颗粒对红外辐射具有极好的吸收能力,从而产生类似红外线的防晒霜。因此,其热导率很低。然而,在有氧条件下,碳气凝胶在高于350℃的温度下被氧化,这限制了它们在高温绝热中的应用。随着SiC、Mo-Si2、HfSi2和TaSi2等高抗氧化涂层的发展,在碳气凝胶表面涂覆了致密的抗氧化涂层,以防止氧的进一步扩散。该材料具有广阔的应用前景。
       如碳泡沫增强骨架,碳气凝胶泡沫原位增强碳气凝胶矩阵的高温隔热材料,制备过程是由常见的碳化消除了传统方法之间的孔隙泡沫骨架和碳气凝胶,惰性气氛下的材料温度高达3000℃,但其在室温下导热系数高达0.04 w . k . m - 1 - 1这主要是由于碳泡沫的固体导热系数较大,和碳气凝胶遮阳隔热效果是不容易出现在室温下。
 
2.3 碳化物气凝胶
       为了提高隔热材料的高温抗氧化性,提高飞机可重复飞行的安全性,研制了一种新型的抗氧碳化物气凝胶复合保温材料。目前,国内外对碳化物材料的研究主要集中在碳化钛、碳化钼、碳化硅等方面。然而,国内外对碳化物材料的研究主要集中在纳米颗粒、晶须和多孔陶瓷等方面。

       2012年,同济大学陈珂提出了酸催化法制备间苯二酚-甲醛/二氧化硅(RF/SiO 2)气凝胶,采用碳化和镁热还原法低温制备纳米SiC气凝胶的方法。成功地制备了硅酸铝纤维毡增强SiC气凝胶复合绝缘材料。然而,通过引入一些耐热性较好的陶瓷纤维,引入一些红外屏蔽剂,调整一些工艺参数,可以获得具有较好热性能的SiC气凝胶复合绝热材料。

气凝胶

 气凝胶
展望:
       (1)在氧化物气凝胶中,主要的问题是缺乏耐高温性能,特别是氧化硅气凝胶,其高温导热系数较低,但在高温下易烧结。通过引入更好的红外遮阳剂或相变抑制剂,可以提高材料的热稳定性。对于氧化锆等耐高温气凝胶,成型工艺尚不成熟。我们可以找到一种新的制备方法或改进工艺条件,以制备具有优良耐高温性能的低导热氧化物气凝胶。
       (2)碳气凝胶在惰性气氛中具有优良的耐高温性能和较低的导热系数。但在好氧条件下,碳气凝胶的耐热性急剧下降,可长时间涂覆在高耐高温、高抗氧化的碳气凝胶表面。通过提高涂层与碳气凝胶基体的结合能力,调整涂层工艺,提高了炭气凝胶的抗氧化性能。
    (3)由于在空气中形成致密的氧化膜,碳化物气凝胶具有优异的耐温性。然而,完整的块状碳化物气凝胶的制备和研究尚处于起步阶段。在今后的工作中,必须实现大量的碳化气凝胶的有效制备。对其力学性能和热性能进行了检查和优化。
     (4)气凝胶的应用、低强度和高气凝胶材料的脆性特性决定了很难单独用作绝缘材料,必须增强等无机陶瓷纤维复合材料,可以在制备的过程中通过引入不同类型的高性能无机陶瓷纤维棉和防晒霜,防晒霜和纤维排列方式的内容调整,优化工艺条件,热力学综合性能优越的制备高效隔热材料。

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