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SiO_2气凝胶充填非石墨化泡沫炭复合隔热材料的研究

胡守亮  
【摘要】:非石墨化泡沫炭以其低密度、优异的热性能、尺寸稳定性好、良好的抗热冲击性、加工成型性好等优点成为一种优异的的隔热材料,在热材料、过滤器、电极材料、催化剂载体、航空航天等领域具有广阔的应用前景。气凝胶具有超低密度、超低热导率的特性,是一种极具潜力的超级隔热材料,但气凝胶对红外辐射完全“透明”,故不能直接作为隔热材料,限制了其实际的工程应用。为此,本课题在非石墨化泡沫炭的内部孔洞中充填SiO2气凝胶,将两种隔热材料按照各自的特点复合,取长补短,探索出一种性能更全面、更优越、经济适用的复合型隔热材料,这是隔热材料发展的重要趋势。 以有机聚合物为碳源,采用模板法制备泡沫炭能够较好地控制产品泡沫炭的结构和形貌,是近年来发展起来的一种新的泡沫炭制备方法。本研究利用糠醇作为碳源,聚氨酯泡沫作模板,高温炭化制备非石墨化泡沫炭。制备的泡沫炭具有三维网状开孔结构,孔结构规则,呈现五边形十二面体形态,孔径分布在500-600μm,具有极低的密度(0.02-0.04g/cm3)和极高的孔隙率(95~98%),采用正交试验设计考察了模板种类、炭化终了温度、保温时间和浸渍量等因素对产品结构和性能的影响,得到在现有实验条件下制备泡沫炭的最佳工艺参数。利用X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)分析了泡沫炭的成分属于非晶态的无定形碳结构,其中的碳原子是以芳烃平面完全无规则的乱层结构形式,随着温度的升高和保温时间的延长泡沫炭的炭化程度升高,并从孔壁内部生长出石墨状微晶结构,使碳结构更趋规整。对样品力学性能和隔热性能进行测试,结果表明压缩破坏的断裂机理为典型的脆性压损。样品具有良好的隔热性能,在热面温度达到接近400℃时,30分钟后冷面温度仍然保持在80℃附近。 以正硅酸乙酯为硅源,蒸馏水为原料,乙醇为溶剂,盐酸和氨水为催化剂,采用溶胶—凝胶工艺制备得到SiO2气凝胶,并将制备得到的泡沫炭在溶胶阶段浸渍复合,干燥得到SiO2填充非石墨化泡沫炭复合隔热材料(SiO2/RVC)。利用傅立叶变换红外光谱(FT-IR)和XRD分析Si02气凝胶的物相组成,并对SiO2填充非石墨化泡沫炭复合隔热材料的物理性能和力学性能进行测试,探讨了溶胶体系的反应机理和复合隔热的机理。结果表明复合材料的密度和抗压强度都依赖于泡沫炭骨架的物理性能,随着基体泡沫炭的炭化温度升高,SiO2/RVC复合隔热材料的密度和抗压强度都呈现增长的趋势。SiO2/RVC复合隔热材料的隔热性能优于单纯RVC,同等热流密度条件下冷面温度比RVC低40℃,并且高温下的隔热优势更加明显。


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