气凝胶高效隔热材料_冯坚等著_9787030503039

气凝胶高效隔热材料

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　　隔热材料是对热流具有显著阻抗性的材料或材料复合体。高性能隔热材料的研制和开发是解决能源紧缺的有效措施之一，更是解决新型航天飞行器和导弹高效热防护难题的关键，无论对于民用还是军用都具有重要的现实意义。
　　气凝胶高效隔热材料是目前高性能隔热材料研究的主要方向，《先驱体转化陶瓷纤维与复合材料丛书：气凝胶高效隔热材料》深入总结了作者十多年来在气凝胶高效隔热材料领域的研究成果，系统介绍了纤维增强Si02、Al203-Si02.SiCO、炭气凝胶隔热复合材料及聚酰亚胺气凝胶隔热材料的制备工艺，结构和性能表征，构件成型，加工及应用等。
　　《先驱体转化陶瓷纤维与复合材料丛书：气凝胶高效隔热材料》可为从事气凝胶隔热保温相关领域的高校师生，气凝胶保温材料研究、开发和生产相关人员，以及从事航天飞行器热防护系统、武器装备和民用隔热保温领域设计应用的相关人员提供可靠的参考资料。

　　新型航天飞行器和导弹的研制和发展，对国家的国防安全具有重要的战略意义。与传统的飞行器和导弹相比，临近空间新型高速飞行器和导弹的飞行速度更高，飞行时间更长，飞行器和弹体表面的气动加热温度更高，加热时间更长，累计气动加热量更加严酷，承受的热环境更为恶劣。长时高效热防护已成为新型航天飞行器和导弹研制和发展中无法避免而又必须妥善解决的一个重大关键技术难题。因此，迫切需要研制和发展耐高温、轻质、力学性能良好的高效隔热材料和结构以支撑新型航天飞行器和导弹长时高效热防护系统技术的突破。另外，战斗机、装甲车辆、舰艇、鱼雷等武器装备也对高性能隔热材料提出了迫切需求。
　　在民用方面，随着科学技术和社会经济飞速发展，全球能源的日益紧缺已成为世界性问题，开发新能源、提高现有能源利用率以及节约能源已引起了各国的高度重视。其中，采用新技术、新工艺开发环境友好型的高效隔热材料是节约能源最有效、最经济的措施之一。
　　传统的陶瓷纤维隔热毡、陶瓷纤维隔热瓦等材料高温热导率较高[如美国NASA研制的AETB-12陶瓷纤维隔热瓦为800℃，热导率为0.128W/（m·K）]，已难以满足军用和民用领域更加苛刻的高性能要求。开展耐高温、轻质及力学性能良好的高效隔热材料和结构技术研究具有重要的现实意义。
　　自1931年美国太平洋学院（CollegeofthePacific）的Kistler教授首次提出气凝胶概念以来，Si02气凝胶由于其独特的纳米骨架颗粒和纳米孔径结构，已成为当前室温热导率最低的固体材料，但其强度低，对高温红外辐射传热透明，高温热导率较高。因此，研制兼具高强韧和高温低热导率特点的高性能气凝胶复合材料是国内外广大学者一直致力解决的技术难题。
　　国防科学技术大学自2001年开始从事气凝胶隔热材料研究，在国家自然科学基金、武器装备预研基金和军品配套科研项目等的长期支持下，开展的气凝胶高效隔热复合材料研究，已从实验室基础研究和工艺探索阶段进入到工程化应用阶段。研制的Si02和Al203等气凝胶复合材料具有高强韧、可设计性强、高效隔热等特性，相关材料和构件已广泛应用于我国新型航天飞行器和导弹热防护系统中，为我国国防现代化建设做出了重要贡献。
　　本书总结了作者十多年来在气凝胶隔热材料领域的研究成果，系统地介绍了纤维增强SiO2、Al2O3-SiO2、SiCO、炭气凝胶隔热复合材料及聚酰亚胺气凝胶隔热材料的制备工艺，结构和性能，构件成型、加工及应用等。
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　　《先驱体转化陶瓷纤维与复合材料丛书：气凝胶高效隔热材料》：
　　4.高温裂解
　　高温裂解是以有机物为原料制备无机气凝胶的关键工艺，其过程是利用反应物在高温条件下受热发生断键.重排而生成新结构，一般可分为3个阶段，第1阶段为未交联有机小分子的逸出，这一阶段发生在低温区（400℃以下）；第2阶段为有机物无机化，得到无定形态结构的产物，这个过程一般发生在1000℃左右，但不同的前驱体转化温度是不一致的；第3个阶段为无定形态结构的产物结晶化（>1200℃），一般高温裂解过程在真空或者惰性气氛下进行，常用的惰性气体有氩气和氮气，C、SiCO等气凝胶的制备通常需要通过高温裂解过程。
　　1.2.2气凝胶复合材料的制备方法
　　气凝胶复合材料一般是指以陶瓷纤维、晶须、晶片或颗粒为增强体，气凝胶为基体，通过适当复合工艺制备性能可设计的一类新型复合材料。气凝胶复合材料通常针对隔热保温领域进行应用，具有较好的力学性能、超低热导率等特点。目前制备气凝胶复合材料主要有凝胶整体成型和颗粒混合成型等方法。
　　1.凝胶整体成型
　　将配制的溶胶直接与增强体或红外遮光剂等混合，待混合体凝胶后经超临界干燥或常压干燥得到气凝胶复合材料，气凝胶在复合材料中呈连续的整体块状结构。根据添加剂的形状不同.具体的工艺过程也有所不同，主要的添加剂有颗粒、短纤维以及长纤维等。
　　1）颗粒、短纤维增强气凝胶复合材料
　　颗粒（或短纤维）增强气凝胶复合材料的具体工艺如下：制备溶胶过程中，添加适量的颗粒（或短纤维），加入少量表面活性剂作为分散剂进行搅拌，使颗粒（或短纤维）均匀分散在溶胶体系中，待溶胶快凝胶时将其倒入模具中，经快速凝胶、老化及干燥过程得到颗粒（或短纤维）增强气凝胶复合材料。
　　颗粒（或短纤维）增强气凝胶复合材料的制备关键是如何使颗粒（或短纤维）均匀分散在气凝胶基体中，相互搭结并与周围的气凝胶基体牢固黏结。由于颗粒或短纤维与气凝胶的物理性质（如表面张力、可润湿性、密度等）存在差异，使得颗粒或短纤维难以均匀分散和牢固黏结。带静电表面的相互吸引也会使颗粒或短纤维聚集成球或形成平行的束状结构，在最终的产品中形成不均匀的团块，导致复合材料性能下降。常用的解决方法是加入分散剂，通过强力搅拌或超声振荡等方式使颗粒或短纤维等均匀地分散在溶胶中，同时为防止颗粒或短纤维因密度差而沉淀，控制凝胶时间以及掺入颗粒或短纤维的时间，使加入颗粒或短纤维后的溶胶在适当时间内凝胶。
　　2）长纤维增强气凝胶复合材料
　　长纤维增强气凝胶复合材料的工艺主要过程是，首先将纤维经加工处理形成纤维预成型体，将制备好的溶胶浸渍纤维预成型体，再经凝胶、老化和干燥得到气凝胶复合材料。
　　长纤维在材料中作为力学支撑，提高复合材料的力学性能。根据实际应用条件的不同，长纤维具有较强的选择性，高温应用条件下可选择无机纤维如玻璃纤维、矿物纤维等，低温应用条件下可以选择有机纤维如聚氨酯纤维、尼龙纤维或天然植物纤维等。
　　消除纤维与纤维之间的接触是长纤维复合气凝胶隔热材料制备的关键。纤维与纤维之间接触一方面会降低气凝胶在材料中的分散性，影响气凝胶与纤维之间的结合，降低材料的力学性能；另一方面，纤维与纤维之间的接触会产生热桥效应，增加材料的固相传导。通过以下措施可改善纤维与气凝胶之间的结合：①选择与气凝胶基体相容性好的纤维；②提高纤维的浸润性；③通过对纤维表面预处理，提高其与气凝胶基体的结合强度；④精确控制溶胶.凝胶、浸渍、超临界干燥等制备工艺参数。
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