【R2】高性能SiO_2基气凝胶隔热材料研究进展_曾宇婷.pdf

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全国绝热材料行业创新发展研讨会暨全国保温材料科技信息协会年会论文集高性能基气凝胶隔热材料研究进展曾宇婷曹勇,朱大为,丁维华,罗珊(贵州航天乌江机电设备有限责任公司贵州遵义 ;超临界流体技术及装备国家地方联合工程研宄中心贵州遵义)摘要:本文综述了高性能基气凝胶隔热材料的最新研宄进展。高性能基气凝胶隔热材料的研究趋势主要向三方面发展:一是提高基气凝胶隔热材料耐高温()性能;二是提高基气凝胶隔热材料的抗红外辐射性能;三是提高基气凝胶隔热材料的介电性能。本文介绍了高性能基气凝胶隔热材料的研宄情况,对高性能基气凝胶隔热材料的结构与性能进行了阐述,并结合气凝胶研宄进展,介绍了高性能气凝胶隔热材料的制备。关键词:高性能耐高温抗红外辐射介电性能气凝胶前高速飞行器长时间在大气层内高速飞行,气动加热严重,其外表面温度达,局部温度可达。由于热量长时间向舱内传递的特性,以及飞行器本身空间狭小等特点,要求在有限的空间和 质量约束条件下实现对内部设备的有效热防护。高性能隔热材料是热防护系统的重要组成之一,需要具备优异的 隔热性能和 高温稳定性。基气凝胶隔热材料是目前隔热性能最优异的固体材料,已经成为高超声速飞行器热 防护系统的首选隔热材料。但目前此通常方法制备的基气凝胶隔热材料无法满足型号的使用要求,这就需要一种 高性能的基气凝胶隔热材料一一高性能基气凝胶隔热材料来满足高速飞行器的使用需求。而是高性能基气凝胶隔热材料指具有耐高温、抗红外辐射性能好、介电性能优异等一种或若干种特性的基气凝胶材料。耐高温基气凝胶隔热材料基气凝胶隔热材料由于其极高的孔隙率,有 效降低了固相热传导,内部? 孔有效抑制了气相 热传导和对流传热,内部的无穷遮挡板效应有效降低了辐射传热,因此是一种 性能优异的耐高温绝热材料。但其使用温度较髙(沾)时,会发生烧结,颗粒会逐渐长大,团簇收缩并团聚,最终在密度达到烧结密度的时多孔结构坍塌,气凝胶的纳米多孔结构遭到破坏,从而气凝胶隔热性能失效。气凝胶的长期使用温度在 以下为提高气凝胶的使用温度,研宄者们开展了大量提高气凝胶耐温性能的研宄。为了进一步提高材料的耐温及隔热性能,主要可以通过种方式实现:复合凝胶,添加增强相和引入相 变储热材料。掺杂异质元素基气凝胶隔热材料全国绝热材料行业创新发展研讨会暨全国保温材料科技信息协会年会论文集在掺杂异质元素基气凝胶材料研宄方面,主要包括三种策略:第一是在气凝胶中引入其他氧化物气凝胶,形成一种二元或三元气凝胶,抑制气凝胶的烧结以及晶粒的长大;第二是金属掺杂基气凝胶,其研究方法主要有浸泡法、化学气相沉积和化学气相渗透法以及原位溶胶凝胶法,其中原位法是应用较多 的制备金属或金属氧化物二氧化硅复合气凝胶隔热材料的方法;第三就是与有机基体复合,形成一种有机无机杂化气凝胶,然后经过后续的碳化、碳热还原等过程形成一种气凝胶材料,图为 (左)和(右)加热后的硅酸铝气凝胶图。”决:巧獨齡释;图(左)和(右)加热后的硅酸铝气凝胶图添加纤维增强相提高基气凝胶隔热材料在气凝胶的实际应用中,研宄者们发现气凝胶存在 强度低、高脆性的缺点。为了克服这些缺点,通常采用纤维、碳颗粒或碳纳米管以及硬硅酸钙等作为增 强相,来提高气凝胶复合材料的力学性能。其中,赵楠等,张丽娟等,伊希斌等分别以莫来石纤维,石英纤维和自生纳米纤维与基气凝胶复合,研究发现通过添加纤维增强相 制备出来的气凝胶复合材料的耐温性由气凝胶和 纤维增强体共同决定,而在制备复合气凝胶过程中,研究者一般选取耐温性能比气凝胶好的纤维作为增强相,制备出的气凝胶复合材料中纤维无序的穿插在气凝胶中,被气凝胶包覆,可一定程度上提高气凝胶的耐温性能。图为石英纤维增 强气凝胶的形貌。图石英纤维增强气凝胶的形貌全国绝热材料行业创新发展研讨会暨全国保温材料科技信息协会 年会论文集引入相变储热材料基气凝胶隔热材料在相变材料改性方面,主要是利用相变材料在高温下的相转变过程,储存热量,从而进一步提高材料的绝热性能,通过这种方法实现气凝胶绝热性能提升的报道相对较少。等通过热熔渗法在气凝胶内部填充了石蜡相变材料,该复合材料相变潜热高达 。等提出 了通过热熔渗法在纤维增 强气凝胶内部充填复合相变材料,并且采用软件对相变材料熔渗过程的温度场、速度场和液相分数进行了模拟计算。等针对由,气凝胶层、气凝胶层、相变气凝胶层组成的 多层隔热结构进行了传热计算,计算结果表明,只有当相变气凝胶层位于中间层时,才能起到相变储热,降低背温的作用,同时相变气凝胶层厚存在一个最优值,从而使得系统的 隔热性能达到 最佳。抗红外辐射基气凝胶隔热材料近年来,基气凝胶材料的制备工艺、性能以及应用等已取得了很大进展。但是,在高温下,辐射传热是热量传导的主要方式,基气凝胶材料对波长小于网的红外辐射几乎是透明的。解决气凝胶高温遮挡红外辐射效果差的关键就是引人良好的红外遮光剂,目前常用的遮光剂有碳黑、矿物粉末(、)以及陶瓷纤维等。碳黑对红外辐射热传导具有较强的遮挡作用。等研宄发现,掺杂碳黑后气凝胶能够有效地抑制红外辐射热传导,但由于碳黑耐高温性能差,一般在高于时容易氧化,且其固相热导率较高(),因此比较适合在中低温领域中应用。沈军等研究发现,矿物颗粒如、以及等具有良好的红外散射和吸收效果,同时还具有较高的使用温度。张迪等的研宄表明,遮光剂的引入可以明显降低材料的高温热导率,其中的遮光效果明显优于其他遮光剂。介电性能优异的基气凝胶隔热材料材料的介电性能与材料的主成分、含水量、含碳量及其它 杂质成分等密切相关。其中,多孔材料的介电性能与其密度、实体材料的介电性能存在对数混合法则:()其中,、分别为实体材料的密度、介电常数,、分别为多孔材料的密度、介电常数。可见,多孔材料的密度越低、孔隙率越大,材料的介电常数越低。对于透波材料而言,杂质含量是决定其介电损害的关键因素。对于二氧化硅气凝胶,二氧化硅气凝胶中含有的、等无机杂离子、有机杂质、水分以及气凝胶表面丰富的硅羟基会影响其介电性能,可通过离子交换化、采取合适的催化体系、降低密度、溶剂置换、老化处理、高温处理等多种方式降低气凝胶中全国绝热材料行业创新发展研讨会暨全国保温材料科技信息协会年会论文集图介电常数随温度的变化曲线图损耗角正切 随温度的变化曲线高性能基气凝胶隔热材料未来发展趋势在提高气凝胶性能的改性研究中,除了形成复合气凝胶以及向气凝胶中加入遮光剂之外,对于气凝胶的改性还有很多。但都存在无机氧化物气凝胶发生晶型转变、化学组成改变导致微观结构的变化,致使宏观尺寸发生变化的问题。这些微观和宏观结构的改变使得这些新型气凝胶无法满足高超声速飞行器热防护系统对于高性能基气凝胶隔热材料的要求。,的杂离子含量、有机物含量以及硅羟基含量,提高二氧化桂气凝胶的介电性能。、等抗红外辐射剂由于具有高的介电常数,严重影响材料的介电性能,不 能用于优异 介电性能基气凝胶材料;、等抗红外辐射剂室温下介电性能优良,但高温下转化为半导体,介电性能严重下 降,同样不适用于优异介电性能基气凝胶材料。前期研宄表明,铬系列材料具备室温及高温稳定的介电性能,室温至范围内,介电常数变化小 于介电损耗小于,可用于制备优异介电性能基气凝胶材料。图为介电常数随温度的变化曲线,图为损耗角正切随温度的变化曲线。?全国绝热材料行业创新发展研讨会暨全国保温材料科技信息协会年会论文集因此,今后高性能基气凝胶材料制备将从以下几个方面开展研宄:由廉价的无机原料代替昂贵的金属醇盐制备气凝胶,降低成本;?采用有机合成特殊前驱体,制备性能更为优异的 多组分气凝胶;研宄结构和性质之间 的对应规律,达到根据设计进行合成的目的;合成常规金属的金属气凝胶材料,开发新的应用领域。参考文献王洋,高性能气凝胶隔热材料研宄进展,飞航导弹,(): 沈晓冬,吴晓栋,孔勇等,气凝胶纳米材料的研究进展,中 国材料进展,(): , , , :, , , ,: , , , , (): 唐彬,高性能气凝胶材料研究进展,科技博览, , (): ,:,: , , , :(), ,(): 秦国彤,门薇薇,魏微,等气凝胶研宄进展,材料科学与工程学报,():罗抗磊,姜勇刚,冯军宗等,提高氧化硅气凝胶耐温性能的研宄进展,人工晶体学报,(): , , , , : 魏高升,张欣欣,于帆超级绝热材料气凝胶的纳米孔结构与有效导热系数,热科学与技术, ,():沈君,汪国庆,王狂,等气凝胶的常压制备及其热传输特性,同济大学学报, ,(): 王洋,气凝胶隔热材料耐温性研宄进展,装备制造技术,():同小 刚常压下二氧化硅气凝胶薄膜的制备与研究,西安:陕西科技大学, 王娟,陈玲,徐建国,等气凝胶薄膜的介电性能,新技术新工艺, ,:王亮,冯坚,姜勇刚,等高温透波隔热一体化材料的研究进展,材料导报:综述篇, ():
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