邵陽(yáng)氣凝膠——一種神奇不神秘的保溫材料
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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(jī)碳?xì)饽z（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(jī)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(jìn)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(shí)用價(jià)值的納米孔超熱材料必須同時(shí)具有良好的隔熱性能和力學(xué)性能。SiO 2氣凝膠通常與紅外遮陽(yáng)劑和增強(qiáng)劑相結(jié)合，以改善SiO 2氣凝膠的隔熱性能和力學(xué)性能。常用的紅外遮陽(yáng)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(qiáng)材料有陶瓷纖維、無(wú)堿超細(xì)玻璃纖維、多晶莫來(lái)石纖維、硅酸鋁纖維、氧化鋯纖維等。以美國(guó)航天局(NASA)Ames研究中心的SiO 2氣凝膠為增強(qiáng)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(shí)具有定的機(jī)械強(qiáng)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(diǎn)。氧化鋁氣凝膠是以美國(guó)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(diǎn)。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(wú)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(dá)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(méi)有空氣對(duì)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(bào)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(guò)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(wú)機(jī)分散溶膠-凝膠法。以廉價(jià)無(wú)機(jī)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?zé)岱€(wěn)定性是研究熱點(diǎn)之。
2011年，White等人。美國(guó)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(shí)大大提高了材料的隔熱性能。
南京工業(yè)大學(xué)吳曉棟課題組對(duì)纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠材料進(jìn)行了相關(guān)研究。以莫來(lái)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(qiáng)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(qiáng)SiO氣凝膠.通過(guò)化學(xué)鍵合，發(fā)現(xiàn)氧化鋯納米纖維在氣凝膠中無(wú)序地插層，大大提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。
2.2 炭氣凝膠
與其它氣凝膠相比，碳?xì)饽z大的特點(diǎn)是在惰性氣氛和真空氣氛下其耐溫性高達(dá)2000度。石墨化的耐溫性甚至達(dá)到3000攝氏度。此外，碳?xì)饽z中的碳納米顆粒對(duì)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?xì)饽z在高于350℃的溫度下被氧化，這限制了它們?cè)诟邷責(zé)嶂械膽?yīng)用。隨著SiC、Mo-Si2、HfSi2和TaSi2等高抗氧化涂層的發(fā)展，在碳?xì)饽z表面涂覆了致密的抗氧化涂層，以防止氧的進(jìn)步擴(kuò)散。該材料具有廣闊的應(yīng)用前景。
如碳泡沫增強(qiáng)骨架,碳?xì)饽z泡沫原位增強(qiáng)碳?xì)饽z矩陣的高溫隔熱材料,制備過(guò)程是由常見(jiàn)的碳化消除了傳統(tǒng)方法之間的孔隙泡沫骨架和碳?xì)饽z,惰性氣氛下的材料溫度高達(dá)3000℃,但其在室溫下導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)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?xì)饽z遮陽(yáng)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(jī)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(jì)大學(xué)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(qiáng)SiC氣凝膠復(fù)合緣材料。然而，通過(guò)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(wèn)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(guò)引入更好的紅外遮陽(yáng)劑或相變抑制劑，可以提高材料的熱穩(wěn)定性。對(duì)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(jìn)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?xì)饽z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?xì)饽z的耐熱性急劇下降，可長(zhǎng)時(shí)間涂覆在高耐高溫、高抗氧化的碳?xì)饽z表面。通過(guò)提高涂層與碳?xì)饽z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(shí)現(xiàn)大量的碳化氣凝膠的有效制備。對(duì)其力學(xué)性能和熱性能進(jìn)行了檢查和化。
(4)氣凝膠的應(yīng)用、低強(qiáng)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(qiáng)等無(wú)機(jī)陶瓷纖維復(fù)合材料,可以在制備的過(guò)程中通過(guò)引入不同類型的高性能無(wú)機(jī)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(xué)綜合性能越的制備高效隔熱材料。
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