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【A19】纤维增强Al_2O_3-S...合材料的制备和耐温隔热性能.pdf

第 42 卷第 4 期2020 年 7 月南京工业大学学报( 自 然 科 学 版)JOUNAL OF NANJING TECH UNIVESITY ( Natural Science Edition)Vol 42 No 4July 2020doi: 103969/jissn16717627202004003纤维增强 Al2O3SiO2气凝胶隔热复合材料的制备和耐温隔热性能徐凛, 姜勇刚, 冯军宗, 李良军, 冯坚( 国防科技大学 空天科学学院 新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室, 湖南 长沙 410073)收稿日期: 20191104基金项目: 国家自然科学基金( 51702360)作者简介: 徐凛( 1986) , 男, 工程师, E- mail: xulin0330 126com; 姜勇刚( 联系人) , 副研究员, E- mail: jygemail 163com引用格式: 徐凛, 姜勇刚, 冯军宗, 等纤维增强 Al2O3SiO2气凝胶隔热复合材料的制备和耐温隔热性能J南京工业大学学报( 自然科学版) , 2020, 42( 4) : 461466XU Lin,JIANG Yonggang,FENG Junzong,et al Preparation and heat- resisting and insulating properties of fiber- reinforced Al2O3- SiO2aerogels insulation composites JJournal of Nanjing Tech University ( Natural Science Edition) , 2020, 42( 4) : 461466摘要:以正硅酸乙酯( TEOS) 、 仲丁醇铝( ASB) 为前驱体, 采用溶胶 凝胶及超临界干燥工艺, 分别制备硅酸铝纤维( ASF) 、 Al2O3纤维( AF) 和莫来石纤维( MF) 增强 Al2O3SiO2气凝胶( ASC) 隔热复合材料, 并对材料的微观结构、 耐温性、 高温热导率和力学性能进行研究。结果表明: 纳米多孔 Al2O3SiO2气凝胶均匀填充到纤维间的孔隙中, 并紧密包裹在纤维的表面, 显著减少了纤维间的搭接, Al2O3SiO2气凝胶隔热复合材料中的纤维增强相发挥了增强、 增韧功能。纤维种类对材料耐温性、 高温热导率有较大的影响, 对力学性能影响较小, AF/ASC 和 MF/ASC复合材料耐温性能较高, 经 1 200 、 30 min 热处理后, 材料厚度方向平均线收缩率分别为2. 5 %和 2. 7 %; MF/ASC 复合材料的热导率较低, 当热面温度为 1 100 时热导率达到 0. 065 W/( mK) ; 3 种纤维增强 Al2O3SiO2气凝胶隔热复合材料的力学性能相当, 材料 3%应变的压缩应力分别为 0. 22、 0. 21 和 0. 19 MPa。关键词:纤维; Al2O3SiO2气凝胶; 热导率; 力学性能; 气凝胶复合材料; 溶胶 凝胶法中图分类号:TB 332文章编号:16717627( 2020) 04046106Preparation and heat- resisting and insulating properties offiber- reinforced Al2O3- SiO2aerogels insulation compositesXU Lin,JIANG Yonggang,FENG Junzong,LI Liangjun,FENG Jian( Science and Technology on Advanced Ceramic Fibers and Composites Laboratory,College of Aerospace Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)Abstract: Aluminium silicate fiber ( ASF) ,alumina fiber ( AF)and mullite fiber ( MF)reinforcedAl2O3- SiO2aerogels insulation composites ( ASC)were prepared from aluminum sect- butoxide ( ASB)and tetraethoxysila(TEOS ) precursorbysol- gelmethodandsupercriticaldryingEffectsofmicrostructure,heat- resisting,high- temperature thermal conductivity and mechanical property of thecomposites were investigated esults showed that Al2O3- SiO2aerogels uniformly displayed within thepores between fibers,and were tightly wrapped on the surface of the fibers,which significantly reducedthe overlap between fibers The fiber acted as an enhanced and toughening function in Al2O3- SiO2aerogels insulation composites The type of fiber had influence on high temperature resistance and thermalconductivity of composites,but it had little effect on mechanical properties AF/ASC and MF/ASC hadhigh heat resistance,the thickness shrinkages were 2. 5% and 2. 7%,at 1 200 for 30 min,respectivelyThe lowest thermal conductivity of MF/ASC at 1 100 was 0. 065 W/( mK) Themechanical properties of ASF/ASC, AF/ASC and MF/ASC were equivalent,and the compressive stresseswere 0. 22, 0. 21 and 0. 19 MPa( 3% strain) Key words: fibers; Al2O3- SiO2aerogel; thermal conductivity; mechanical property; aerogels composites;sol- gel method气凝胶是一种以纳米级胶体颗粒相互聚集构成的纳米多孔网络结构, 并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料1- 2 , 孔隙率高达 99%以上, 典型孔径50 nm, 具有高比表面积( 1 000m2/g) 和低密度( 0. 03 g/cm3) 特性3- 5 。气凝胶由于结构上的独特性, 被许多研究工作者广泛关注。其中, Al2O3SiO2气凝胶不仅具有以上气凝胶优点, 而且还具有耐温性能高和高温下稳定性好的特性, 最高使用温度可达 1 300 6- 8 。气凝胶虽然具有以上优点, 但是纯相气凝胶强度低、 易脆, 难以作为隔热材料被直接使用2 。因此, 必须对气凝胶进行增强、 增韧处理, 制成具有一定力学强度的气凝胶隔热复合材料。同济大学沈军课题组将短纤维填料与 SiO2溶胶混合, 凝胶后超临界干燥, 获得 SiO2气凝胶复合材料, 其强度明显高于纯相 SiO2气凝胶9 。广州大学吴会军等10 将玻璃纤维、 涤纶纤维和静电纺聚偏氟乙烯微纳米纤维作为增强材料, 采用常压干燥法制备 SiO2气凝胶隔热复合材料, 热导率为 0. 0250. 028 W/( mK) , 抗压强度较纯相 SiO2气凝胶提高了 45 倍。国防科技大学冯坚课题组将陶瓷纤维与 SiO2溶胶混合, 凝胶后超临界干燥, 得到的 SiO2气凝胶隔热复合材料具有较好的抗压强度( 10%应变时材料的应力为0. 98 MPa) 和隔热性能( 800 时的热导率为 0. 042W/( mK) )11- 12 。目前, 大量文献报道了 Al2O3SiO2气凝胶具有高耐温、 低热导率等优点6- 8 , 但是纤维对 Al2O3SiO2气凝胶隔热复合材料的微观结构、 力学性能以及耐温隔热性能的影响鲜有报道。因此, 本文分别以硅酸铝纤维( ASF) 、 Al2O3纤维( AF) 和莫来石纤维( MF) 为增强纤维, 以正硅酸乙酯( TEOS) 、 仲丁醇铝( ASB) 为前驱体, 采用溶胶 凝胶工艺, 再经乙醇超临界干燥制备纤维增强 Al2O3SiO2气凝胶( ASC) 隔热复合材料, 分析纤维种类对 Al2O3SiO2气凝胶隔热复合材料结构以及耐温隔热性能的影响。1实验1. 1主要试剂实验所用化学试剂均为分析纯, 仲丁醇铝、 正硅酸乙酯、 无水乙醇、 甲醇、 硝酸和冰醋酸, 上海国药集团化学试剂有限公司; 去离子水, 辉宏化学试剂有限公司。ASF 纤维( 山东鲁阳节能材料股份有限公司) ,主要成分为 Al2SiO5, 纤维直径约为 10 m, 最高使用温度约为 1 000 ; AF 纤维( 山东德爱普节能材料有限公司) , 主要成分为 Al2O3, 纤维直径为 47 m, 最高使用耐温约为 1 400 ; MF 纤维( 山东鲁阳节能材料股份有限公司) , 主要成分为 Al2O3和 SiO2, 纤维直径为 26 m, 最高使用温度约为 1 400 。1. 2Al2O3SiO2溶胶及气凝胶隔热复合材料制备1. 2. 1Al2O3SiO2溶胶制备以 TEOS、 ASB、 C2H5OH、 CH3OH 和 H2O 为原料, 以冰醋酸和盐酸( 浓度 0. 1 mol/L) 为催化剂制备 Al2O3SiO2溶胶。 Al2O3溶胶的制备: 按n( ASB) n( C2H5OH) n( H2O) = 1 16 1. 2 将 ASB、C2H5OH 和 H2O 混合, 60 下搅拌 60 min, 溶液逐渐由混浊变澄清, 停止搅拌, 密封、 静置、 自然冷却至室温, 制得 Al2O3溶胶。SiO2溶胶的制备: 按n( TEOS) n ( C2H5OH) n ( H2O)= 1 4 1 量取TEOS、 C2H5OH、 H2O, 并与适量盐酸充分混合, 混合液继续搅拌 60 min, TEOS 充分水解制得 SiO2溶胶。催化剂制备: 将适量的冰醋酸、 H2O 和 CH3OH 混合均匀, 搅拌 5 min。Al2O3SiO2溶胶的制备: 按照 Al 和 Si 摩尔比 3 1将 Al2O3溶胶和 SiO2溶胶混合搅拌均匀, 加入一定量催化剂, 继续搅拌 10 min,获得 Al2O3SiO2溶胶。1. 2. 2Al2O3SiO2气凝胶隔热复合材料制备将表观密度皆为 0. 25 g/cm3的 ASF 纤维、 AF纤维和 MF 纤维分别与 Al2O3SiO2溶胶复合, 待溶264南京工业大学学报( 自 然 科 学 版)第 42 卷胶凝胶后, 获得纤维增强 Al2O3SiO2湿凝胶, 静置老化 48 h, 再经乙醇超临界干燥( 乙醇临界点: 243, 6. 3 MPa) 制得纤维增强 Al2O3SiO2气凝胶隔热复合材料, 分别简称 ASF/ASC、 AF/ASC 和 MF/ASC 隔热复合材料。1. 3测试方法用 S480

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