收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

纳米多孔SiO_2、Al_2O_3气凝胶及其高效隔热复合材料研究

高庆福  
【摘要】: 新型导弹、航天飞行器热防护系统以及军用热电池隔热保温结构等迫切需求耐高温、轻质、高效隔热以及良好力学性能和使用性能的新型隔热材料和结构。本文比较系统地研究了纳米多孔SiO2、Al2O3气凝胶及其高效隔热复合材料的制备工艺、结构和性能,初步开展了SiO2气凝胶高效隔热复合材料的成型、加工性能以及隔热效果等应用研究。其主要结果如下: 依据溶胶—凝胶理论,结合超临界干燥工艺制备了纳米多孔SiO2气凝胶,研究了硅源、催化剂、水以及溶剂等参数对SiO2气凝胶结构和性能的影响规律。发现以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,采用酸(HCl)—碱(NH3·H2O)两步催化法(工艺参数为:1TEOS:1.8×10-3HCl:3.6×10-3NH3·H2O:4H2O:2-20EtOH,以上均为摩尔比)可有效控制SiO2气凝胶的孔隙结构和性能。SiO2气凝胶主要以Si-O-Si键所构成,孔隙率可达90%以上,基本粒子的粒径约为5.4nm,大部分孔径集中在35nm范围,常温比表面积为527.8m2/g,其纤细的骨架颗粒可有效降低固态热导率,纳米级孔径可有效抑制气态热传导和对流传热。这为稳定制备新型高效SiO2气凝胶隔热复合材料奠定了坚实的基础。 以无机陶瓷纤维为增强相,与Si02溶胶混合,制备了SiO2气凝胶隔热复合材料。研究了纤维种类、纤维体积分数以及溶胶配比等因素对SiO2气凝胶复合材料力学性能和隔热性能的影响规律。发现,纤维直径愈小,渣球含量愈少,高温下对红外辐射的阻挡效果越有利,气凝胶复合材料的热导率越低。随着纤维体积分数增加(4%→8%),材料的拉伸和弯曲强度先增大后减小(当体积分数为7%时强度最高),高温热导率则逐渐降低。随着溶胶中EtOH/TEOS摩尔比增大(2→12),材料的拉伸、弯曲和压缩强度逐渐降低,热导率则变化不明显。 确定的较为优化工艺参数为:莫来石纤维为增强相,纤维体积分数为6.0%-7.0%,EtOH/TEOS摩尔比为4-12。制备的SiO2气凝胶隔热复合材料具有耐高温(最高使用温度达800℃)、轻质(约0.35g/cm3)、高效隔热和良好的力学性能等特点,其200℃和800℃时的热导率为0.017W/m·K和0.042W/m·K,分别是相应纤维隔热材料热导率的50%和45%,常温和800℃的弯曲强度分别为1.31MPa和1.80MPa。对SiO2气凝胶隔热复合材料微观形貌分析表明:SiO2气凝胶与无机陶瓷纤维界面结合良好,纤维与纤维之间的孔隙被具有高孔隙率、纳米孔径的SiO2气凝胶充分填充并隔开,这是气凝胶复合材料同时具有良好力学性能和超强隔热效果的主要原因。 以铝醇盐为铝源制备了纳米多孔Al2O3气凝胶,研究了铝源、水含量、溶剂以及螯合剂等参数对纳米多孔Al2O3气凝胶结构和性能的影响规律。结果表明,采用仲丁醇铝(ASB)为铝源、水解温度为60℃时,可获得稳定澄清的Al2O3溶胶;随着乙醇含量的增加,Al2O3溶胶的凝胶时间逐渐延长,气凝胶的密度和强度逐渐降低;当水含量相对较大时(H2O/ASB摩尔比为2),水解速率较快,不易得到稳定透明的Al2O3溶胶;适量的乙酰乙酸乙酯可有效控制仲丁醇铝水解缩聚速率,提高溶胶的稳定性。确定了制备Al2O3气凝胶的工艺参数为:1ASB:8-16EtOH:1.2H20:0-0.1Etac(摩尔比),水解温度为60℃。Al2O3气凝胶孔隙率可达97.9%,平均孔径为26nm,常温比表面积为440m2/g,1200℃时为73m2/g。Al2O3气凝胶主要为多晶勃姆石相,微观形貌为片叶状或针叶状的颗粒结构,这种特殊结构可降低其表面/体扩散,抑制高温烧结,有效地提高其耐高温性能。 以莫来石纤维为增强相,与Al2O3溶胶混合,首次制备了耐高温(最高使用温度达1200℃)的Al2O3气凝胶隔热复合材料。由于Al2O3气凝胶在高温下仍保持纤细的纳米多孔结构,因而Al2O3气凝胶隔热复合材料在高温仍具有较低的热导率,当热面温度为1000℃时,热导率为0.064W/m.K,比莫来石纤维隔热材料热导率降低了47.5%,进一步提高了气凝胶隔热复合材料的耐温性能和高温隔热效果。 初步开展了SiO2气凝胶复合材料的应用研究,突破了大型复杂异型隔热构件的成型技术和加工技术(如切割、钻孔、剪、裁、磨等),为气凝胶隔热复合材料结构在新型导弹和航天飞行器以及军用热电池隔热保温结构上的应用提供了保证。制备的SiO2气凝胶隔热复合材料及构件通过了××导弹舵机舱隔热效果考核;制备的军用热电池隔热套在相同厚度下保温效果明显优于现役保温隔热材料,同时还显著延长了热电池的热寿命,放电时间延长近40%。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 马亚鲁,马卫兵,郑俊萍;少量掺杂Al_2O_3、SiO_2的Mg-PSZ陶瓷材料的液相烧结[J];硅酸盐通报;2000年05期
2 钱海燕,张少明,何旭初;扁平式气流磨粉碎物料特性的研究[J];江苏陶瓷;1997年01期
3 蒋武锋,郭华,魏小珍,段庆福;CaO、SiO_2、Al_2O_3和MgO四元渣系脱硫[J];河北理工学院学报;2000年03期
4 王宏志,高濂,李炜群;非均相沉淀法制备Al_2O_3-YAG复相陶瓷[J];无机材料学报;2000年01期
5 陈建林,陶志宁,王炳坤;粉煤灰中铝盐提取的研究[J];环境导报;1994年04期
6 王立,封麟先,杨士林;以SiO_2为载体的乙烯丙烯共聚高效Ziegler-Natta催化剂[J];化学学报;1995年03期
7 葛启录,高增森,雷廷权,焦炜光;热压Al_2O_3-ZrO_2(6mol%Y_2O_3)陶瓷复合材料的组织性能研究[J];硅酸盐通报;1995年02期
8 戴秀萍,于玲;低温下测定大气总悬浮颗粒物中游离二氧化硅的方法探讨[J];江苏环境科技;1995年02期
9 孙景章;用氟硅酸钾滴定法测定SiO_2实验条件的控制[J];河北陶瓷;1998年03期
10 张谦温,张菡,刘新香,朱起明;Al_2O_3-TiO_2为载体的前加氢催化剂研究[J];石油化工;2000年06期
11 徐国财,马家举,邢宏龙,胡乃明;原位分散紫外光固化SiO_2纳米复合材料的性质[J];应用化学;2000年04期
12 王丽,段心翠;铁精粉中Al_2O_3的快速测定—铬天青S光度法[J];山东冶金;2000年02期
13 高彦峰,柳泽河道;SiO_2和ZrO_2晶型对钒-硅酸锆生成的影响[J];陶瓷工程;2001年04期
14 李月明,周健儿,顾幸勇,马光华;溶胶—凝胶法制备Al_2O_3纳米粉[J];中国陶瓷;2002年05期
15 罗玉长,胡绳兴;富Al_2O_3区域Al_2O_3-Na_2O-CaO-SrO系固态反应的研究[J];齐鲁石油化工;1998年03期
16 马宗义,吕毓,雄毕敬;反应物形态对原位生长陶瓷粒子增强铝基复合材料微观结构和拉伸性能的影响[J];金属学报;1999年01期
17 纪媛,刘江,吕哲,刘英梅,宋彦彬,何岚鹰,苏文辉;掺入Al_2O_3对固体氧化物电解质材料YSZ性能影响的研究[J];功能材料;2000年S1期
18 赵密,郭英奎,宁志良,俞泽民;Al_2O_3陶瓷透光性的研究[J];哈尔滨理工大学学报;2000年02期
19 陈宝剑,王宏强;精料技术在长钢的应用与实践[J];山西冶金;2000年02期
20 朱伯铨,李楠,甘菲芳,陈荣荣,田守信;电熔镁锆合成料中SiO_2的赋存形态及分布特征[J];武汉科技大学学报(自然科学版);2000年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 刘世明;王慧;曾令可;;纳米SiO_2气凝胶的性能表征与分形维数[A];中国颗粒学会第六届学术年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会论文集(下)[C];2008年
2 冯坚;高庆福;冯军宗;姜勇刚;;SiO_2气凝胶隔热复合材料性能及应用研究进展[A];复合材料:创新与可持续发展(上册)[C];2010年
3 王冬冬;丁书强;王自强;王泽华;陈伟;;常压干燥法制备SiO_2气凝胶粉体[A];2011年耐火原料学术交流会论文集[C];2011年
4 蔡杰;张俐娜;Shigenori Kuga;;高强度纤维素/SiO2气凝胶的结构和性能[A];2009年全国高分子学术论文报告会论文摘要集(下册)[C];2009年
5 薛明升;郭兴敏;;Al_2O_3,SiO_2对复合铁酸钙生成及晶体结构的影响[A];2008年全国冶金物理化学学术会议专辑(上册)[C];2008年
6 姜建义;余菊华;许存义;刘春荣;;硅上SiO_2膜的喇曼谱[A];全国第三届光散射学术会议论文摘要[C];1985年
7 安璐;杨红;胡鹤;杨仕平;;不同粒径SiO_2空心微球的制备及其在超声-磁共振成像中的初步应用研究[A];中国化学会第28届学术年会第8分会场摘要集[C];2012年
8 赵占强;戴忠玲;王友年;;射频等离子体刻蚀SiO_2的数值研究[A];第十五届全国等离子体科学技术会议会议摘要集[C];2011年
9 徐梦婧;费英伟;吴耀;金振民;;铬铁矿中SiO_2含量的高温高压实验研究——对铬铁矿出溶柯石英机制的启示[A];中国矿物岩石地球化学学会第13届学术年会论文集[C];2011年
10 徐群娜;马建中;周建华;李娜;;无皂乳液聚合法制备聚丙烯酸酯改性酪素/纳米SiO_2皮革涂饰剂及其性能的研究[A];2011中国功能材料科技与产业高层论坛论文集(第二卷)[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 高庆福;纳米多孔SiO_2、Al_2O_3气凝胶及其高效隔热复合材料研究[D];国防科学技术大学;2009年
2 王慧;SiO_2气凝胶及其复合材料的制备与性能研究[D];华南理工大学;2010年
3 高桂梅;油页岩灰渣制备纳米SiO_2和气凝胶的方法研究[D];吉林大学;2010年
4 赵善宇;介孔SiO_2材料及相应复合气凝胶体系的合成[D];大连理工大学;2010年
5 郑文芝;二氧化硅气凝胶研制及其结构性能研究[D];华南理工大学;2010年
6 黄康明;Al_2O_3陶瓷基层状复合材料的制备和性能研究[D];华南理工大学;2011年
7 任洪波;低密度SiO_2及其复合气凝胶的制备与特性研究[D];中国工程物理研究院;2010年
8 陈晨;声光移频集成光学陀螺及Si基SiO_2波导声光移频技术研究[D];长春理工大学;2012年
9 郭琳琳;高分子/无机核壳粒子的制备与表征[D];吉林大学;2008年
10 沈哲红;聚合物/纳米SiO_2复合乳液构筑的光子晶体及结构研究[D];复旦大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王伟;常压制备块体SiO_2气凝胶隔热复合材料的工艺及其性能[D];哈尔滨工业大学;2010年
2 汪慧;SiO_2气凝胶/苯丙原位复合乳液的制备及其在隔热涂料中的应用[D];广东工业大学;2011年
3 陈琴;溶胶—凝胶法制备疏水SiO_2气凝胶及其性能研究[D];中南大学;2010年
4 黄燕;SiO_2气凝胶空心微球制备初步研究[D];西华大学;2011年
5 区叶秀;疏水SiO_2气凝胶的常压溶胶—凝胶法合成及其性能研究[D];中南大学;2010年
6 宋凯;硅藻土制备SiO_2气凝胶及其复合体系[D];大连理工大学;2012年
7 周强;SiO_2气凝胶及其复合气凝胶的常压制备与吸附性能研究[D];中南大学;2012年
8 郭迪;SiO_2气凝胶透明隔热涂料的制备及性能研究[D];中南大学;2012年
9 廖云丹;纤维增强SiO_2气凝胶隔热复合材料的可控制备及性能优化研究[D];广州大学;2012年
10 张亚娟;疏水性SiO_2气凝胶与Ag/SiO_2复合气凝胶的制备及性能研究[D];陕西师范大学;2011年
中国重要报纸全文数据库 前3条
1 彭红;气凝胶产业化开启纳诺高科有望成最大供应商[N];中国质量报;2008年
2 实习生 马媛媛;人类已进入合成材料时代[N];科技日报;2011年
3 周清 张明;新材料让大推力火箭发动机更“清凉”[N];中国航天报;2011年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978