炭气凝胶隔热材料研究进展

新型高速航天飞行器的不断发展对耐高温、轻质、高效隔热材料提出了迫切需求,炭气凝胶因其纳米尺度孔隙和颗粒链结构,不仅具有传统气凝胶的低密度、高孔隙率、高比表面积及低热导率等优异的特性,还具有耐超高温(惰性气氛)、高红外比消光系数等优点,使其在作为隔热材料应用于超高温部位热防护具有显著优势。本文首先基于热传导理论,分别从气凝胶密度和微观结构(孔径、粒径)等方面阐述了炭气凝胶隔热性能的研究现状,然后综述了近年来国内外炭气凝胶隔热材料制备工艺及性能优化的研究进展,主要包括力学性能增强、耐烧蚀/抗氧化、低成本化及超轻超弹四个方面,并对各方面存在的优缺点进行了总结。最后提出低成本、高性能炭气凝胶隔热材料的后续研究方向,并对其在民用及其他特殊领域的发展应用进行展望。

直写成型制备多孔陶瓷技术研究进展

多孔陶瓷具有耐高温、可控孔结构、高孔隙率、化学稳定性和生物惰性等特点,是应用于支柱、生物、催化和电气等领域的理想材料。传统多孔陶瓷的制造方法主要有颗粒堆积、添加造孔剂、发泡、溶胶-凝胶等。近年来,随着增材制造技术的发展,直写成型技术因其简单的设备构造和良好的浆料兼容性,被广泛应用于制造复杂结构和图案的多孔陶瓷。本文综述了直写成型多孔陶瓷的技术方法及其在各领域的应用,详细分析了直写成型技术制备多孔陶瓷材料的优劣势,提出了直写成型制备多孔陶瓷所面临的挑战,并对直写成型制备多孔陶瓷技术发展趋势进行了展望。

直写3D打印陶瓷基多孔结构的研究进展

陶瓷基多孔结构既继承致密陶瓷材料耐高温、电绝缘、化学稳定的优异性能,又兼具多孔结构低密度、高比表面积、低热导率的独特优势,已被广泛应用于隔热、骨组织工程、过滤及污染物清除、电子元器件等领域。但是,陶瓷基多孔结构的传统成孔方法在宏观尺度创造复杂几何外形与微纳尺度调控孔结构形态方面仍面临巨大挑战。近几十年来,研究人员一直致力于创新陶瓷基多孔结构的加工成型方法,以直写3D打印为代表的增材制造技术成为当前研究的热点,并迅速发展出一系列成熟理论与创新方法。本文首先概述了陶瓷基多孔结构的传统成孔方法与增材制造成孔方法,进一步详细介绍了直写组装成孔工艺过程,主要包括假塑性墨水配方、固化策略、干燥及后处理,分析了传统成孔方法与直写3D打印二者的组合技术在构筑陶瓷基多级孔结构方面的可行性,总结了直写3D打印技术在制造复杂陶瓷基多孔结构领域的新观点、新进展和新发现,最后结合陶瓷基多孔结构实际应用现状对直写3D技术的未来发展与挑战进行了展望。

耐高温SiO_(2)气凝胶隔热复合材料的重复使用性能

空天往返飞行器热防护系统要求隔热材料必须具有良好的可重复使用性能。以耐高温SiO_(2)气凝胶隔热复合材料(SAF)为研究对象,采用800℃/2000 s马弗炉热处理方式,研究高温重复使用次数对SAF材料热稳定性、微观结构和组成、力学和隔热性能的响应。结果表明:经800℃/2000 s马弗炉处理20次后,SAF材料800℃热导率(0.0420 W/(m·K))和隔热性能(800℃/2000 s石英灯红外辐射加热,材料背面温升147.6℃)与热处理前性能相当,压缩强度增加33%(3%应变),材料厚度、微观结构形貌和材料组成变化不大。

纤维增强气凝胶柔性隔热复合材料的制备

以正硅酸乙酯(TEOS)为原料,酸碱催化两步法配制溶胶,浸渍柔性纤维毡后进行超临界干燥制备柔性隔热复合材料。研究表明,随着超临界干燥溶胶之前老化时间的延长(1h～7d),复合材料在600℃下的抗拉强度变大(0.13～0.21MPa),红外光谱分析确定是由于其水解程度变大。复合材料中的纯气凝胶比表面积为209.8m2/g,平均孔径为18.8nm。场发射扫描电镜照片表明气凝胶很好地填充于纤维之间,避免了纤维与纤维的接触。从而柔性复合材料具有低热导率,120、500℃下分别为0.019、0.054W/m.K。

纤维增强SiO_2气凝胶隔热复合材料的制备及其性能

将无机陶瓷纤维与SiO2溶胶混合,经超临界干燥制备了SiO2气凝胶隔热复合材料。SiO2气凝胶纤细的骨架颗粒减少了固态热传导,纳米级孔减少了气体热传导和对流传热,同时无机陶瓷纤维减少了辐射传热。SiO2气凝胶复合材料具有良好的隔热性能,其200℃和800℃的热导率分别为0.017W/m.K和0.042W/m.K。纤维的加入提供了力学支撑,高温处理增强了气凝胶骨架强度,材料在常温和高温下均具有良好的力学性能,其常温的拉伸、弯曲和抗压强度分别为1.44MPa、1.31MPa和0.98MPa(10%应变),800℃的拉伸、弯曲和抗压强度分别为1.95MPa、1.80MPa和1.42MPa(10%应变)。

氧化铝气凝胶复合材料的制备与隔热性能

以仲丁醇铝为先驱体,采用溶胶-凝胶工艺制备氧化铝溶胶,并将其与无机陶瓷纤维毡复合经超临界流体干燥得到氧化铝气凝胶隔热复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)和氮气吸附等方法对样品微观结构进行分析,利用热平板法对材料的隔热性能进行测试,并分析了氧化铝气凝胶隔热复合材料隔热机理。研究表明:与氧化硅气凝胶相比,氧化铝气凝胶具有更好的耐高温性能,经1000℃热处理后仍然能够较好地保持其纳米多孔结构;将气凝胶与纤维复合后,充分发挥了氧化铝气凝胶优良的隔热特性,使得复合材料的隔热性能较纯纤维毡有了明显的改善,其热面温度1000℃时导热系数为0.0685 W/m.K。

氧化硅气凝胶隔热复合材料研究进展

氧化硅气凝胶由于纤细的纳米结构,具有极低的热导率,是一种新型轻质保温隔热的理想材料。但其力学性能和高温遮挡红外辐射能力差限制了气凝胶在该领域的应用。通过添加增强体和遮光剂研制气凝胶隔热复合材料是主要的解决方法。本文综述了近年来气凝胶隔热复合材料的制备方法,重点分析了气凝胶复合材料在力学性能和隔热性能方面的研究进展,并指出了存在的问题,对今后的研究提出了展望。

硅含量对Al2O3-SiO2气凝胶结构和性能的影响

研究了硅含量对Al2O3-SiO2气凝胶结构和性能的影响。结果表明，随着硅含量的增加，Al2O3-SiO2溶胶的凝胶时间逐渐延长，气凝胶密度逐渐增大，其结构逐渐由多晶勃姆石向无定形Si02过渡。Al2O3-SiO2气凝胶同时含有Al—O、Si-O以及Al-O-Si结构，600℃煅烧后的物相为无定形γ-Al2O3和SiO2，1200℃煅烧后为莫来石相。当硅含量为6．1wt％-13．1wt％时，适量的硅抑制了Al2O3-SiO2气凝胶的相变，其1000℃的比表面积（339～445m^2·g^-1）高于纯Al2O3气凝胶（157m^2·g^-1）。SEM分析表明，硅元素的加入改变了Al2O3气凝胶的结构形貌，随着硅含量的增大，Al2O3-SiO2气凝胶逐渐由针叶状或长条状向球状颗粒转变。

低密度、块状氧化铝气凝胶制备

研究了工艺参数对氧化铝溶胶及气凝胶的影响。结果表明,稳定的氧化铝溶胶优化制备工艺为:仲丁醇铝为前驱体,水解温度60℃,仲丁醇铝、乙醇、水的物质的量之比为1∶(8～16)∶1.2;螯合剂乙酰乙酸乙酯能有效控制仲丁醇铝水解缩聚速率,提高溶胶的稳定性;块状氧化铝气凝胶主要成份为多晶勃姆石相,比表面积为447m2.g-1,其强度和密度随乙醇量的增加而降低,密度最低为0.040g.cm-3。氧化铝气凝胶微观结构由许多片叶状颗粒堆积形成,经1200℃热处理后仍保持原有的微观形貌,比表面积为73m2.g-1。

陶瓷纤维刚性隔热瓦研究进展

陶瓷纤维刚性隔热瓦具有轻质、耐高温和低热导率等优点,是目前美国航天飞机最主要的热防护材料之一。介绍了陶瓷纤维刚性隔热瓦的制备方法,详细叙述了美国三代刚性隔热瓦在制备工艺和性能方面的研究进展,总结了国内刚性隔热瓦的研究现状,并展望了刚性隔热瓦的发展趋势。

耐高温气凝胶隔热材料

介绍了气凝胶的基本特点,重点介绍了SiO2气凝胶、ZrO2气凝胶、Al2O3气凝胶、Si-C-O气凝胶隔热材料的耐高温性能,并对耐高温气凝胶的发展方向进行了展望。

纤维素基气凝胶功能材料的研究进展

纤维素气凝胶具有低密度、高比表面积及高孔隙率等特性,并且在增强力学性能、改善疏水吸油性能、提高耐热温度和生物抗菌等多种领域具有良好的发展潜力。介绍了纤维素气凝胶材料的制备流程,并着重综述了各种纤维素气凝胶材料及纤维素衍生物功能气凝胶材料的最新研究进展,最后对纤维素基气凝胶材料的未来发展进行了展望。

红外遮光剂在二氧化硅气凝胶中的应用研究进展

气凝胶作为目前为止最轻的固体,具有极低的热导率,是一种较为理想的轻质、高效、最具潜力的隔热材料。但纯二氧化硅气凝胶的红外透明性影响了其高温隔热性能。介绍了红外遮光剂红外辐射抑制机理,综述了使用炭黑、TiO2和六钛酸钾晶须等作为红外遮光剂提高二氧化硅气凝胶隔热性能的研究进展,并对未来红外遮光剂在二氧化硅气凝胶中的应用做了展望。

聚酰亚胺气凝胶的制备及其性能研究

以3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐(BPDA)和4,4’-氨基二苯醚(ODA)为合成单体,1,3,5-三(4-氨基苯氧基)苯(TAB)为交联剂,合成了聚酰亚胺溶胶,最后经CO2超临界干燥得到气凝胶。研究了溶胶配方对聚酰亚胺气凝胶密度、收缩率、孔结构、拉伸强度及热导率等性质的影响规律,制备得到低密度、小孔径、高比表面积、低热导率和较好柔韧性能的气凝胶。

柔性氧化硅气凝胶隔热复合材料的制备和性能

以正硅酸乙酯为原料,高硅氧纤维为增强体,采用氨水催化一步法制备了柔性的纤维增强氧化硅气凝胶隔热复合材料。当pH=7时,气凝胶的比表面积最大;水含量增大,比表面积降低;乙醇含量增大,比表面积增大,EtOH/TEOS(摩尔比)大于10以上,比表面积增加不明显,趋于稳定。以比表面积较大的气凝胶作为基体的柔性复合材料常温热导率为0.031 W/(m.K)[纯高硅氧纤维毡为0.044 W/(m.K)]。该柔性隔热材料安装方便,特别适用于大面积、不规则形状的包覆隔热。

碳气凝胶的传热规律及其在防隔热中的应用

综述了碳气凝胶耐超高温隔热材料的传热特性,分析了传热各组成部分的大小及影响因素,提出作为防隔热应用的碳气凝胶应具有的微观结构。介绍了碳气凝胶的在防隔热应用方面的研究进展及其未来需要解决的问题。

Al_2O_3-SiO_2气凝胶的制备及性能研究

以正硅酸乙酯(TEOS)和仲丁醇铝(ASB)为硅源和铝源,采用溶胶-凝胶和超临界干燥工艺制备出了高比表面积的Al_2O_3-SiO_2块状气凝胶,研究了不同溶胶配比及热处理温度对气凝胶结构的影响,利用红外光谱、氮气吸附、X射线衍射和扫描电子显微镜等手段对气凝胶的性能和结构进行了分析。结果表明,随Al/Si摩尔比增大,Al_2O_3-SiO_2气凝胶凝胶时间逐渐缩短,比表面积(1000℃)先增后减,当Al/Si摩尔比为4:1时,比表面积最高,为444.5 m^2/g;1200℃,Al/Si为8:1时比表面积最高,为115m^2/g,具有较好的高温热稳定性。红外分析表明Al_2O_3SiO_2气凝胶存在Al-O-Si键;在1000℃热处理后,Al_2O_3-SiO_2气凝胶中Si含量减少到一定程度才会出现γ-Al_2O_3。通过SEM观察表明Al_2O_3-SiO_2气凝胶粒子较Al_2O_3气凝胶小。

多层隔热材料的研究进展

多层隔热材料在高真空环境下具有极低的热导率,被称为"超级绝热材料"。介绍了多层隔热材料的组成,对其隔热原理、隔热性能的影响因素进行了总结,综述了高温多层隔热材料和多层气凝胶隔热材料的研究进展,并列举了多层隔热材料的应用实例,对多层隔热材料未来的研究方向进行了展望。

帐篷夹芯隔热材料的研究进展

综述了国内外隔热帐篷所采用的隔热夹芯材料,包括纺织类隔热材料、建筑类保温材料和新型柔性气凝胶隔热材料等。介绍了有关这些隔热材料制备及其隔热性能的研究进展,并对隔热帐篷夹芯隔热材料发展趋势进行了展望。