数字图像相关技术在多孔气凝胶基复合材料弹性力学常数识别中的应用

采用数字图像相关技术(digital image correlation,DIC)结合有限元模型修正技术(FEMU),通过2维编织高铝纤维增强多孔气凝胶基复合材料正轴及偏轴拉伸实验,同时识别获得了材料面内多个工程弹性常数.通过力学实验结合有限元数值虚拟实验,研究了识别过程中目标函数构成、优化方法、参数初值、位移场随机误差水平对识别结果和效率的影响.研究表明针对2维编织多孔气凝胶基复合材料,选取DIC实测位移和有限元数值计算位移的方差作为目标函数,通过L-M非线性最小二乘优化方法,计算参数敏感度矩阵,可同时识别获得多个加载面内材料力学性能参数,识别效率高,识别过程对参数初值、位移场随机误差水平不敏感,鲁棒性好.

纳米SiO_(2)气凝胶水泥基复合材料中水的形态分布规律研究

为了研究纳米SiO_(2)气凝胶对水泥基复合材料水分分布机制的影响,采用LF-NMR技术对室温环境下不同掺量(0、5%、7%、10%)纳米SiO_(2)气凝胶水泥基复合材料(AIC)吸水30 min后的T2信号进行了测试,在真空饱和的条件下,采用孔隙体积内饱水度描述AIC吸水前后含水量空间变化。结果表明:AIC0、AIC5、AIC7、AIC10试件的T2谱最高峰的峰面积所占比例分别为83.0%、78.7%、79.3%、79.6%,掺入纳米SiO_(2)气凝胶降低了最高峰的峰面积;当纳米SiO_(2)气凝胶掺量由0增至10%时,AIC试件的吸附水、毛细管水及孔隙水饱水度均减小;纳米SiO_(2)气凝胶能降低AIC的自由水存储性能。

磁性石墨烯气凝胶复合材料的制备及其性能研究

针对石墨烯材料在吸波领域存在介电常数较大、阻抗匹配差等缺点,采用水热法调控石墨烯与Fe_(3)O_(4)的比例,制备一种兼具宽频带、轻质、高吸波性能的磁性石墨烯气凝胶复合材料(Fe_(3)O_(4)/GA)。对复合材料的形貌、结构及吸波性能进行表征和分析,结果表明,该复合材料呈三维多孔结构,Fe_(3)O_(4)纳米颗粒均匀负载在石墨烯表面;复合材料在较宽的频带上均表现出优异的吸波性能,且随着Fe质量的增加复合材料的吸波性能逐渐增强;当FeCl_(3)·6H_(2)O添加质量为0.42 g时,复合材料Fe_(3)O_(4)/GA-0.42的RLmin在15.6 GHz处达到-49.75 dB,厚度为3 mm时的有效吸收频带宽为7.12 GHz,具有良好的吸波性能。

氮化硼气凝胶@HKUST-1复合材料的制备及气体吸附性能研究

HKUST-1作为一种多孔材料,因其超高的比表面积和孔隙率,在气体捕获和分离方面应用广泛。但是HKUST-1通常以粉末形式存在,在使用过程中通常会出现粉尘、堵塞和力学性能差等问题。为了解决这些问题,以氮化硼(BN)气凝胶作为基体,采用原位生长的方法在其纤维表面生长HKUST-1晶体,制得了块体BN气凝胶@HKUST-1复合材料。通过XRD、FT-IR、SEM和TEM等表征技术对复合材料进行结构和形貌的分析,并对其力学性能、CO_(2)吸附和选择性能进行测试。研究结果表明,通过原位生长的方法成功制备了具有一定的力学性能的块体BN气凝胶@HKUST-1复合材料。其中,3BN气凝胶@HKUST-1复合材料在50%的应变下材料的压缩强度为32 k Pa。同时,在273 K、1 bar的条件下,3BN气凝胶@HKUST-1复合材料表现出最佳的吸附性能,吸附量为73 cm^(3)/g,是纯相BN气凝胶的2.3倍。

气凝胶复合材料在干式潜水服内胆隔热性能提升中的应用

为提升干式潜水服内胆的隔热性能,并探究气凝胶复合材料在潜水服内胆中的水下应用潜力。选择絮片型、发泡型及非织造布型气凝胶复合材料,采用绗缝工艺技术模拟材料在水下的受压状态,研究其在压缩状态下的隔热性能,然后,制作潜水服内胆,通过暖体假人实验及真人水下实验测试其隔热性能。结果表明,絮片型气凝胶复合材料的水下适用性优于絮片型新雪丽棉;发泡型及非织造布型气凝胶复合材料的热阻受压强影响小,也较适用于水下环境;在真人实验过程中,潜水员的核心温度始终大于37℃,证明所研制的气凝胶复合材料内胆具有良好的水下隔热效果。研究结果可为受压环境下防护服隔热材料的应用方法提供指导建议。

气凝胶复合材料的制备及保温隔热应用进展

气凝胶复合材料由于具有密度低、比表面积大、孔隙率高和导热系数低等结构功能特性,成为最主要的新型保温隔热材料之一。本文简述了气凝胶复合材料的发展历程、制备工艺及方法,从气凝胶复合材料的微观形貌结构、热量传递组成、隔热传热表征等方面对其保温隔热性能及机理进行分析,重点介绍了近年来气凝胶复合材料的保温隔热性能应用在军事航空航天、建筑节能环保、能源存储转化、极端环境材料、电动汽车电池、冷藏(冻)运输以及供热锅炉管道等诸多领域中取得的新进展。同时,对其在各个领域应用中遇到的问题进行了详细讨论并给出建议。此外,文末对气凝胶复合材料在未来的研发、生产及应用中的研究方向进行了展望。

多孔二氧化硅微球复合硅基气凝胶的制备及性能研究

本文利用纳米多孔二氧化硅微球复合优化了有机硅源气凝胶的结构与性能,在一定程度上改善了有机硅气凝胶孔隙尺寸大,隔热性能较差的问题。实验结果表明:二氧化硅微球的引入,细化了气凝胶二次粒子的尺寸,气凝胶骨架由珍珠链状结构转变为紧密堆叠结构,骨架连接强度得到显著增强。得益于这种转变,复合气凝胶表现出优异的力学性能,当压缩应变为80%时,其应力从81.5 kPa增大到175.1 kPa。与此同时,复合气凝胶隔热性能也进一步提升,导热系数从0.0469 Wm^(-1)·K^(-1)下降到了0.0408 Wm^(-1)·K^(-1)。

高强度碳气凝胶复合材料的制备及结构、性能研究

针对热防护系统的热桥阻断需求,以碳/石英纤维混编针刺预制体为增强体,酚醛树脂为碳前驱体,通过溶胶-凝胶、常压干燥和高温碳化工艺,制备出一种中密度-高强度碳气凝胶复合材料,系统研究了材料的微观结构、力学性能和隔热性能。结果表明:所制复合材料在中密度(约为0.80 g·cm^(-3))下具有较强的力学性能(5%压缩应变时压缩应力约为10 MPa)和优异的隔热性能(室温热导率<0.230 W·m^(-1)·K^(-1))。随着预制体中石英纤维质量分数从0%增加至20%,复合材料在1 000℃下等效热导率从0.224 W·m^(-1)·K^(-1)下降至0.158 W·m^(-1)·K^(-1),具备了高温热桥阻断应用潜力。进一步采用格子玻尔兹曼方法对材料室温至1 600℃下的热导率进行预测,发现了材料结构和环境因素对热导率的影响趋势,即碳气凝胶基体孔隙率的上升会导致热量传递的阻碍增大,从而导致复合材料热导率下降;预制体密度的增大导致热量传递的通道增加,使复合材料热导率增大;石英纤维含量的增加会导致复合材料热导率逐渐下降;当气压较小时,热导率随气压的增大迅速增大,而当气压较大时,热导率几乎不受影响。

SiO_2气凝胶复合短切莫来石纤维多孔骨架复合材料的制备及性能

将短切莫来石纤维、硅溶胶、B4C粉，经过1260℃烧结制备多孔骨架，以正硅酸乙酯、去离子水和乙醇配制SiO2溶胶，并将多孔骨架与SiO2溶胶浸渍，经过超临界干燥制备SiO2气凝胶复合的莫来石隔热瓦。通过热重和差热分析、X射线能谱分析，表明B4C在700℃-900℃时发生氧化，生成B2O3将短切纤维粘接到一起，莫来石多孔骨架在1500℃以下稳定存在。具有纳米级孔洞结构的SiO2气凝胶填充了多孔骨架的微米级孔洞，隔热瓦的热导率在200℃、500℃、800℃、1000℃分别下降了44．3％、33．8％、34．6％、29．5％。此外，SiO2气凝胶的复合使得抗弯和抗压强度分别提高了50％和40％。

SiO_2气凝胶/中间相沥青基泡沫炭复合材料的制备与表征

以正硅酸乙酯、乙醇和去离子水为原料,采用溶胶-凝胶法制备了SiO2溶胶;并以煤沥青为原料,采用自挥发发泡法制备了中间相沥青基泡沫炭。然后采用浸渍工艺将SiO2溶胶和中间相沥青基泡沫炭在常压下进行复合,制备了SiO2气凝胶/中间相沥青基泡沫炭复合隔热材料。利用XRD、SEM、热导仪和万能试验机等设备分别研究了SiO2气凝胶、中间相沥青基泡沫炭以及SiO2气凝胶/中间相沥青基泡沫炭复合材料的结构和性能。结果表明,所制备的复合材料具有一定的力学性能,同时其隔热性能优于单一泡沫炭的隔热性能,有望成为一种新型的隔热材料。

SiO_(2)气凝胶/硅溶胶复合材料的制备及传热机理研究

由于纳米SiO_(2)与玻璃纤维制备的复合材料表面会出现碎屑,在材料中加入硅溶胶,制备了一种新型SiO_(2)气凝胶/硅溶胶复合材料,通过热重分析仪和傅里叶变换红外光谱仪研究了SiO_(2)气凝胶含量对复合材料热性能和微观结构的影响。结果表明:随着SiO_(2)气凝胶含量的增加,复合材料热导率没有下降,而是出现上升趋势,这与复合材料的密度和固体热导率密切相关;SiO_(2)气凝胶的加入使得复合材料产生了硅氧键,但不影响复合材料的物理结构,由于硅氧键的存在,材料的物理性能更好;SiO_(2)气凝胶含量为9%(质量分数)时,复合材料的性能最佳。

SiO_(2)气凝胶复合材料在节能领域中的应用

二氧化硅(SiO_(2))气凝胶作为一种具有独特微观结构的高性能材料,以其轻质、低密度和高孔隙率的特性在各个领域显示出卓越的应用潜力。本文对SiO_(2)气凝胶复合材料进行全面探讨并发现,聚合物复合能够增强SiO_(2)气凝胶的柔韧性,同时保持其原有的轻质和高隔热性能。金属材料复合基于纳米尺度上的相互作用,能够提高SiO_(2)气凝胶的机械强度和热稳定性,而纳米材料复合则为SiO_(2)气凝胶引入了如电导性和抗菌性等新的功能特性。在节能方面,SiO_(2)气凝胶复合材料在传统砂浆和混凝土、内墙涂料、外墙与屋顶、热水器储水箱、集热器、管道系统及玻璃等多个领域展示出显著的应用效果,在提升节能效率的同时,还展现出良好的环境适应性和环境友好性,有助于推动建筑行业向可持续发展方向转型。

MnO_(2)/碳气凝胶复合电极材料的制备及其电化学性能

采用溶胶-凝胶法,利用可溶性淀粉制备碳气凝胶基体,并通过水热反应将MnO_(2)纳米结构在碳气凝胶(CA)表面原位生长,制得了MnO_(2)/CA复合电极材料,并对该复合材料进行了结构和形貌表征以及电化学性能测试.结果显示,MnO_(2)/CA复合材料相比于纯相的MnO_(2)有着更好的电化学性能.样品M15CA(原料中KMnO 4与CA以15∶1的质量比复合得到的样品)在1 A/g的电流密度下比电容可达202 F/g,电流密度从1 A/g增加至10 A/g时比电容保持率为77.4%,在10 A/g下经过10000次循环后比电容保持率为88.6%.复合材料性能的提升主要归因于CA高的导电性,其与MnO_(2)复合后电极的转移电阻显著降低.另外,CA的三维多孔网络结构有效防止了MnO_(2)的团聚,使得电极材料与电解液更加充分接触、反应活性位点增多.

硅基气凝胶绝热复合材料的研究进展

SiO_2气凝胶因具有超轻、超低热导率和可设计强等优异特性在隔热保温领域具有广阔的应用前景,成为当前的研究热点。然而,SiO_2气凝胶强度低、韧性差、易碎和易吸湿等性能缺陷严重地制约了其在航空航天、军事装备和建筑等潜在承载领域中的应用。通过复合改性不仅能提高SiO_2气凝胶的力学、绝热和耐温性能,还能实现功能化并降低成本,因而在越来越多的应用领域中取得大量的研究成果。将硅基气凝胶绝热复合材料归纳为掺杂型、涂层型、互穿网络型和组合型4大类,分别阐述了其国内外研究现状,结合其存在的问题及工业技术发展需求展望了其未来发展趋势,以期为制备高性能、低成本的绝热复合材料提供参考。

SiO2气凝胶/发泡水泥基复合材料的微观结构及性能

采用外掺法制备了SiO2气凝胶/发泡水泥基复合材料,并系统研究了复合材料的微观结构、导热系数以及稳泡剂、水胶比、H2O2添量、温度、SiO2气凝胶添量对复合材料密度和抗压强度的影响。研究结果表明,疏水性气凝胶颗粒均匀分散在发泡水泥孔壁上且使得水泥水化产物中针状物质增多,片状生成物之间连接紧密性降低。SiO2气凝胶添量为1.5wt%时,稳泡剂添量为0.4wt%,水胶比为0.60,H2O2添量为4.0wt%,温度区间为35~45℃,按此配比所得复合材料密度较低,抗压强度较高。固定发泡水泥料浆用量,随着气凝胶添量的增加,复合材料发泡高度、导热系数降低,密度、抗压强度增加。

Al_(2)O_(3)-SiO_(2)复合纳米气凝胶材料耐高温性能研究

以正硅酸四乙酯(TEOS)和六水合氯化铝(AlCl_(3)·6H_(2)O)作为混合前驱体,环氧丙烷作为网络诱捕剂,在不添加螯合剂情况下,采用溶胶-凝胶工艺与CO_(2)超临界干燥法制备出了不同摩尔比的Al_(2)O_(3)-SiO_(2)复合气凝胶。对样品分别进行600℃、800℃、1000℃和1200℃热处理,并利用傅里叶红外光谱分析仪、扫描电镜、X射线衍射仪、比表面积分析仪、热重差热分析仪等仪器对Al_(2)O_(3)-SiO_(2)复合气凝胶的微观形貌、结构及热稳定性能进行表征。结果表明:当AlCl_(3)·6H_(2)O∶TEOS=8∶1时,Al_(2)O_(3)-SiO_(2)气凝胶样品在1000℃和1200℃热处理后的导热系数分别为0.0621 W/m·K和0.0803 W/m·K,在1000℃以上热处理后,孔径更加均匀,保留了较好的介孔结构;并且不同的热处理温度延缓了晶型转变,在常温和1200℃条件下,样品比表面积分别为617.14 m^(2)/g和102.9 m^(2)/g,为均匀的介孔结构(孔直径为8~32 nm),孔径低于常温下空气的平均自由程,在1200℃热处理后,样品总失重率为16.3%,具有较好的高温热稳定性。

气凝胶型轻木基复合材料的研究进展

轻木(Ochroma pyramidale)是一种天然生物质材料,具有成本低廉、含量丰富、可再生、可生物降解等优势,还具有密度低、质量轻、孔隙度高、生长速度快等特点。除此之外,它还具备多孔、层次化的物理结构,且尺寸稳定性好、容易加工。近年来,利用这些优点,采用简单有效的自上而下的处理方法,如细胞壁膨化、干燥等步骤,可以得到一种比表面积大、孔隙率高、力学性能优异且具备可调多级孔结构的海绵状材料。这种结构与传统气凝胶多孔道结构以及海绵的结构非常相似,因此将其称为气凝胶型轻木,也称为木海绵(WS),它不仅能克服传统气凝胶力学性能差、制备过程复杂、能源消耗高、环境友好性差等缺陷,而且通过一系列功能化处理,可被赋予多种新的功能,进而用于制备可生物降解的气凝胶型复合材料,并且有助于缓解能源危机和环境污染问题,这使得轻木成为现阶段生物基气凝胶型复合材料研究者的新宠。本文从天然轻木的微观构造及化学成分出发,介绍了生物基气凝胶型轻木基复合材料的特点,归纳了其制备方法,详述了其现阶段在油水分离、透明材料、储能材料等领域的研究进展,最后针对气凝胶型轻木基复合材料在制备和应用等方面存在的问题提出了建议,以期为气凝胶型轻木的高附加值利用提供理论参考。

FeS/壳聚糖基碳气凝胶复合材料的制备及对Cr(Ⅵ)的吸附

以壳聚糖为前体材料,通过溶胶-凝胶、冷冻干燥、碳化等方法制备FeS/壳聚糖基碳气凝胶复合材料(FeS/CA-0.5)。利用SEM、FTIR、XRD及XPS等方法对FeS/CA-0.5的微观形态和结构进行了表征,考察了FeS/CA-0.5对Cr(Ⅵ)的吸附性能,探究了反应机制。结果表明:FeS/CA-0.5保留壳聚糖基碳气凝胶的结构且成功分散FeS,比表面积大,具有超顺磁性;在100mL 100mg/L的Cr(Ⅵ)溶液中投加0.05g FeS/CA-0.5,pH为2,吸附360min可达到平衡,FeS/CA-0.5对Cr(Ⅵ)的平衡吸附量可达173.84mg/g;吸附过程符合准二级动力学和Langmuir等温吸附模型,颗粒内扩散模型表明FeS/CA-0.5对Cr(Ⅵ)的吸附是多步骤过程,整个吸附过程是自发吸热的;FeS/CA-0.5除铬机制主要是物理吸附、化学吸附及化学还原作用。FeS/CA-0.5在处理含铬废水方面有潜在应用前景。

碳基气凝胶/还原氧化石墨烯涂覆聚氨酯泡沫复合材料的制备及性能

碳基气凝胶的脆性、不可压缩性和较差的回弹性制约了其应用。通过原位冷冻干燥法将碳基气凝胶(CA)直接生长在具有还原氧化石墨烯(rGO)涂层的聚氨酯开孔泡沫(PUF)中,制备了CA/rGO-PUF复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)表征了复合材料的微观结构,研究了取向结构对CA/PUF复合材料电导率、压缩性能和压阻性能的影响,考察了复合材料电导率随环境温度的变化。结果表明,PUF的泡孔被CA完全填充,复合材料同时具有CA的电学性能和PUF的力学性能。PUF表面的rGO涂层与CA结合性良好,复合材料具有温敏特性。CA/rGO-PUF复合材料具有显著的各项异性,在取向方向上的电导率为1.90 S/m,是垂直于取向方向的5倍。复合材料在两个方向上均展现了优异的回弹性能、稳定的压阻循环性能和负温度系数效应。

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。