收稿日期:2010-03-15作者简介:赵南,1985年出生,硕士研究生,主要从事耐高温气凝胶的制备与研究。E-mai:lzzhaonan@yahoo.com.cn耐高温气凝胶隔热材料赵南冯坚姜勇刚高庆福冯军宗(国防科学技术大学航天与材料工程学院,长沙410073)文摘介绍了气凝胶的基本特点,重点介绍了SiO2气凝胶、ZrO2气凝胶、Al2O3气凝胶、Si-C-O气凝胶隔热材料的耐高温性能,并对耐高温气凝胶的发展方向进行了展望。关键词气凝胶,隔热材料,耐高温性High-TemperatureStabilityofAerogelThermalInsulationZhaoNanFengJianJiangYonggangGaoQingfuFengJunzong(CollegeofAerospace&MaterialsEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073)AbstractThemainpropertiesofaerogelarereviewed,andthethermalstabilitiesofsilica,zirconia,alumina,andsiliconoxycarbidesaerogelsaresummarized.Theprospectivedevelopmentofhigh-temperatureaerogelthermalin-sulationisdiscussed.KeywordsAerogels,Thermalinsulation,High-temperaturestability1引言随着航空航天事业的飞速发展,要求隔热材料在隔热性能优异的同时还要具备较好的耐高温性能。SiO2气凝胶具有高孔隙率(85%-99.8%)、高比表面积(约1000m2/g)、低密度(3-150mg/cm3)等优良性质,其纳米级孔可显著降低气体分子热传导和对流传热,纤细的骨架颗粒可显著降低固体热传导,因此其具有极低的热导率[13mW/(m#K)],被认为是热导率最低的固体材料[1]。目前研究较多的几种气凝胶的耐温性都不高(1200e以下),应用方面受到很大限制。本文综述了耐高温气凝胶的研究现状,分析并总结了SiO2气凝胶、ZrO2气凝胶、Al2O3气凝胶、Si-C-O气凝胶的耐高温性能,同时对耐高温气凝胶隔热材料的发展方向进行了探讨。2SiO2气凝胶耐高温性能研究进展2.1SiO2气凝胶SiO2气凝胶是由纳米级SiO2微粒相互连结而成的具有三维网络结构的纳米孔固体材料。目前,SiO2气凝胶一般制备工艺如下:首先通过溶胶-凝胶形成连续的纳米量级的凝胶网络结构,然后经超临界干燥在不破坏其孔结构的条件下,除去凝胶纳米孔洞内的溶剂,最终得到纳米孔SiO2气凝胶,其微观结构见图1[2]。图1SiO2气凝胶微观结构Fig.1MicrostructureofsilicaaerogelSiO2气凝胶的隔热效果非常好,但其粒子较细,表面能较高导致其在较高的温度下使用会产生烧结,引起气凝胶收缩、孔结构破坏以及比表面积下降,最终导致SiO2气凝胶隔热性能降低,其比表面积与温度的关系如图2所示[3]。由图2可知,在700e之后SiO2气凝胶比表面积开始下降,说明在700e以上时孔结构已经被破坏。)10)http://www.yhclgy.com宇航材料工艺2010年第5期图2SiO2气凝胶在不同温度下的比表面积Fig.2Surfaceareaofsilicaaerogelatdifferentheattreatmenttemperatures2.2掺杂SiO2气凝胶隔热材料一些研究者对SiO2气凝胶进行掺杂改性处理[4-5]。甘礼华等[6]选用合适孔结构的SiO2气凝胶先驱体,通过硝酸铁溶液的浸泡,在SiO2气凝胶介孔内组装Fe2O3纳米微粒,制备纳米微粒-气凝胶介孔复合体材料。1000e热处理后样品平均孔径约24.7nm,比表面积为138-148m2/g。这主要是掺杂后生成的Fe2O3纳米微粒在较大孔径内与孔壁羟基结合,形成/凸起0,/凸起长大后0相互连接成/桥0,分割孔洞形成新的结构,支撑骨架提高了比表面积。杨双喜[7]将正硅酸乙酯、水、乙醇、间苯二酚和甲醛以一定比例同时混合,并以氨水为催化剂制备湿凝胶,经溶剂置换、老化、超临界干燥得到SiO2/C杂化气凝胶,该气凝胶经1000e裂解后比表面积还有291.6m2/g。P.RAravind等[8]以正硅酸乙酯(TEOS)、异丙醇(IPA)、盐酸(HCl)为原料,按TEOSBIPABHCl(pH=1.54)=1B4B12的配比制备出SiO2溶胶,将一定量的浓度为10.7mg/mLAl2O3溶胶加入SiO2溶胶,常压干燥得到干凝胶。Al含量为15w%t的凝胶在500e时比表面积为420m2/g,900e时为232m2/g。SiO2气凝胶在进行掺杂改性处理后,高温下仍具有较高的比表面积,说明SiO2气凝胶耐高温性能通过掺杂改性处理后得到了改善,但是与未烧结前相比隔热性能差距很大。SiO2气凝胶在700e以上出现的烧结现象是制约其使用的重要因素,提高SiO2气凝胶的耐高温性要从抗烧结出发,由其微观结构着手采用合适方法降低其表面能,达到承...
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