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SiO_2纳米线/Al_2O_3-SiO_2气凝胶复合材料的制备及其性能研究

张月  
【摘要】:气凝胶是一种以纳米粒子或高聚物分子为骨架,具有三维网络纳米多孔结构的轻质固体材料。它具有超低密度、低热导率和高达98%的孔隙率等优良特性,这使得气凝胶在航空航天、建筑、催化、环保、医学等领域具有极大的应用前景。Al2O3-SiO2二元复合气凝胶,由于高温下SiO2能够抑制Al2O3的晶型转变,具有更高的耐高温性能,使用温度可达到1200℃,大大拓展了气凝胶的应用领域。目前Al2O3-SiO2气凝胶主要采用微米级的陶瓷纤维改善其力学性能,在实际应用中存在易掉粉的问题,甚至导致大的裂纹,使得现有气凝胶复合材料不能发挥更好的隔热性能。纳米线具有大长径比、高比表面积,作为气凝胶脆性基质的增强体,能够使气凝胶变得更加强韧,在受到应力或冲击时不容易产生裂纹。因此,采用长径比大的纳米线作为增强体,可大大提升气凝胶的力学性能,解决其脆性和掉粉问题。本研究采用软模板法制备的SiO2纳米线,作为Al2O3-SiO2二元复合气凝胶的增强体,考察了不同复合方法(物理混合法和原位复合法)、纳米线添加量对于复合材料微观结构、力学性能及导热系数的影响,探讨了SiO2纳米线对二元气凝胶的增强机制。以双模板剂(CTAB、F127)和正硅酸乙酯为原料制备出介孔氧化硅纳米线。SiO2纳米线的直径主要分布在100-180nm之间,长度超过10um,长径比在56-100左右。其比表面积达到551.96 m2/g,平均孔径是3.44 nm,孔体积为0.12 cm3/g。使用原位复合法制备出SiO2纳米线/Al2O3-SiO2复合气凝胶。复合气凝胶破碎严重,SiO2纳米线含量很少,力学性能没有得到改善。复合材料仍保持介孔结构。当加入反应液体积为3mL时,复合材料的比表面积达到735.43 m2/g。采用物理混合的方法,使纳米线均匀分散在Si/Al摩尔比为1:6的溶胶中,制备出SiO2纳米线/Al2O3-SiO2气凝胶复合材料。结果表明,SiO2纳米线与基体气凝胶具有高度的相容性。复合材料的比表面积达到726.31 m2/g,平均孔径为16.45nm,孔体积为4.15 cm3/g。SiO2纳米线质量分数为18wt%时,复合材料的压缩强度为0.29MPa,比纯气凝胶高0.18MPa,形变量为37%,加入氧化硅纳米线提高了气凝胶的抗压能力和韧性。高温热处理后,SiO2纳米线质量分数为18wt%的样品线收缩率最小,为30%;气凝胶的线收缩率为40%。经1000℃处理后,纳米线质量分数为12 wt%的复合材料的压缩强度最高,达到1.1 MPa,形变量为9.6%;纳米线质量分数为0.18 wt%时,热导率为0.089 W/(m·K)。纳米线的加入提高了气凝胶的高温热稳定性。纳米线质量分数为12 wt%的复合材料对亚甲基蓝的吸附性能最好,吸附量为7.494 mg/g,且其吸附量与吸附平衡浓度符合Langmuir吸附模型。


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