二氧化硅气凝胶复合隔热材料研究进展

二氧化硅气凝胶具有高孔隙率、低热导率等特点,使其成为新型超级隔热材料。然而,二氧化硅气凝胶的柔韧性、整体性差,并且常温干燥制备的气凝胶在高温时热导率迅速上升,这些都大大限制了二氧化硅气凝胶的应用。近些年,通过原位溶胶-凝胶法和模压成型法制备得到的二氧化硅气凝胶复合隔热材料,在一定程度上提高了其韧性、整体性和高温隔热性能,使得二氧化硅气凝胶作为单独块体隔热材料成为可能。本文阐述了二氧化硅气凝胶隔热材料的隔热机理,综述了近年来抗辐射型、纤维增强型和聚合物增强型二氧化硅气凝胶复合隔热材料的研究现状,最后讨论了该领域今后研究趋势。     

硅酸铝纤维增强SiO_2气凝胶复合材料的力学与隔热性能研究

SiO_2气凝胶由于其独特的纳米多孔结构而具有优异的保温隔热性能,但其力学性能较差限制了其在很多工业领域内的应用。以硅酸铝纤维作为增强材料,采用溶胶凝胶法以及常压干燥法制备出完整的块状硅酸铝纤维/SiO_2气凝胶复合隔热材料,并分别用电子万能试验机、SEM、热导率测试仪、BET等检测方法表征了该复合隔热材料的性能。结果显示,纤维的加入提供了一种新的能量消耗机制,硅酸铝纤维/SiO_2气凝胶复合隔热材料的力学性能明显优于纯气凝胶材料。该复合材料的比表面积和平均孔径分别为383.5 m2/g和8.4 nm,孔隙率高达87%,是典型的介孔材料,热导率低至0.02 W/(m·K)~0.04W/(m·K),具备良好的保温隔热性能。     

增强型二氧化硅气凝胶材料的研究进展

二氧化硅气凝胶是世界上最轻的固体材料之一，因其具有热导率低、比表面积大、孔隙率高等优良特性，在保温隔热领域具有极大的发展空间；然而，二氧化硅气凝胶具有强度低、不易成型等问题，限制了其在各应用领域的快速推广。本文综述了通过复合或掺杂增强二氧化硅气凝胶力学性能的方法，并对当前形势下二氧化硅气凝胶的应用前景进行了展望。     

纤维增强Al2O3-SiO2气凝胶隔热复合材料研究进展

Al₂O₃-SiO₂气凝胶是一种低密度、高比表面积、高孔隙率、低热导率的三维结构纳米多孔材料,在航空航天、建筑保温、石油化工等领域具有广泛的应用前景,是理想的高温隔热基体之一。但纯Al₂O₃-SiO₂气凝胶力学性能和抑制高温辐射传热能力较弱,限制了自身在隔热领域的应用。采用纤维作为增强体,制备的Al₂O₃-SiO₂气凝胶复合材料同时具有较好的力学和隔热性能,是目前国内外高温隔热材料方向的研究热点之一。本文介绍了纤维增强Al₂O₃-SiO₂气凝胶隔热复合材料的制备方法,综述了目前国内外该材料的研究进展,并对其未来发展趋势做了展望。     

硅酸铝纤维复合隔热材料的研制

通过湿法真空吸滤成形工艺．以硅酸铝纤维为基体材料．以各种轻质填料如六钛酸钾晶须、气凝胶二氧化硅等为隔热添加剂，以淀粉、聚合氯化铝混合溶液为结合剂制备高效高温硅酸铝纤维复合隔热材料。     

纳米二氧化硅气凝胶隔热材料的研究进展

作为一种超级隔热材料,二氧化硅气凝胶具有极高的孔隙率和极低的热导率。着重介绍了纳米二氧化硅气凝胶隔热材料的类型以及制备方法。常见的制备方法为先制成纳米孔气凝胶的颗粒和粉料,再掺入增强纤维和黏结剂,经二次成型制成复合体。分析了二氧化硅气凝胶复合隔热材料存在的问题,简要介绍了最新的改进技术,提出今后研究的主要目标,即通过廉价原料制备出较低密度下有良好强度和热导率的气凝胶复合材料,最后对其研究前景进行了展望。     

纤维复合SiO2气凝胶的研究进展

SiO2气凝胶因其纳米尺度的多孔结构,具有低密度、低热导率的特性,因此广泛应用于保温绝热领域.然而,SiO2气凝胶脆性大、易碎的缺点限制了其在实际中的应用范围.纤维增强法制备的SiO2气凝胶,不仅极大改善了这一缺点,且制备工艺简单、力学性能优异,是目前最常见的一类复合气凝胶.介绍了纤维复合SiO2气凝胶的制备工艺,综述了几种纤维复合SiO2气凝胶力学性能增强方法的研究进展.     

高温复合隔热结构组成对其瞬态热特性的影响

建立多层复合隔热结构辐射-导热与相变换热模型, 采用Monte Corlo方法模拟复合隔热结构内半透明介质的热辐射传递,有限体积法求解能量方程。分析比较了纤维隔热毡-金属膜复合结构、纤维隔热毡-纤维增强气凝胶材料-金属膜复合结构、纤维隔热毡-纤维增强气凝胶材料-相变隔热材料-金属膜复合结构等三类典型复合隔热结构的瞬态换热特性,研究表明不同的复合隔热结构组成其热特性差异显著,为复合隔热结构的设计、优化提供了指导思路。     

高温复合隔热结构组成对其瞬态热特性的影响

建立多层复合隔热结构辐射-导热与相变换热模型,采用Monte Corlo方法模拟复合隔热结构内半透明介质的热辐射传递,有限体积法求解能量方程。分析比较了纤维隔热毡-金属膜复合结构、纤维隔热毡-纤维增强气凝胶材料-金属膜复合结构、纤维隔热毡-纤维增强气凝胶材料-相变隔热材料-金属膜复合结构等三类典型复合隔热结构的瞬态换热特性,研究表明不同的复合隔热结构组成其热特性差异显著,为复合隔热结构的设计、优化提供了指导思路。     

细菌纤维素-二氧化硅复合气凝胶纤维的制备及性能研究

气凝胶因为自身具备的高孔隙率、低密度、大的比表面积等特性使其具有很多优异的性能。但目前气凝胶因为其自身差的力学性能导致了其产品主要以粉末、块体、气凝胶毡形态存在,这限制了气凝胶的应用场景。为丰富气凝胶的形态并拓宽其应用场景,本工作尝试以偏硅酸钠为硅源,通过二次塑形后的原位溶胶凝胶法及冷冻干燥工艺制备细菌纤维素-二氧化硅复合气凝胶纤维。通过对线状细菌纤维素进行二次塑形提升细菌纤维素-二氧化硅复合气凝胶纤维的力学性能。通过调控偏硅酸钠的用量制备不同特性的细菌纤维素-二氧化硅复合气凝胶纤维。对样品进行了扫描电镜(SEM)、力学性能、比表面积分析测试(BET)、隔热性能。结果表明:制得的产品密度不超过0.28g·cm-3,抗拉强度最高可达4.5 MPa。当偏硅酸钠的用量为20 wt%时,产品具备最佳的隔热性能:热源温度为150℃时,样品表面比热源降低约45℃。     

硅酸铝纤维和玻璃纤维复合二氧化硅气凝胶材料的制备与性能

分别以硅酸铝纤维和玻璃纤维为骨架材料,采用溶胶-凝胶、常压干燥制得纤维复合二氧化硅气凝胶材料,并对材料进行了结构和性能的测试分析。结果表明,二氧化硅气凝胶附着于纤维表面,提高了材料力学强度。硅酸铝纤维复合二氧化硅气凝胶材料的隔音性能优于玻璃纤维复合二氧化硅气凝胶材料。两种纤维复合二氧化硅气凝胶材料耐高温、燃烧性能均达到A级。硅酸铝纤维复合二氧化硅气凝胶材料和玻璃纤维复合二氧化硅气凝胶材料的产烟毒性分别为AQ₁级和AQ₂级,导热系数分别为0.034 W/（m·K）和0.033 W/（m·K）。     

纤维改善SiO2气凝胶的力学和隔热性能研究进展

纤维/SiO2气凝胶复合材料因良好的力学和隔热性能具有广泛的节能应用前景,是当今国内外建筑、能源及材料等领域的研究热点.根据尺寸及形貌特征将纤维分为常规束状纤维、预制件纤维和纳米纤维三种类型,分析概述了不同类型的纤维与SiO2气凝胶复合材料的制备工艺、形貌特征以及力学和隔热性能,讨论了纤维改善SiO2气凝胶性能所存在的问题,并对以后的研究和发展趋势进行了展望.     

氧化硅气凝胶绝热材料及其建筑减碳应用

无机氧化硅气凝胶因具有超低导热系数、A级不燃、吸湿率低、轻质等特点,在航天航空、工业及建筑领域的节能减碳方面具有广泛的应用潜力。然而氧化硅气凝胶力学性能差、制备成本高等缺点限制了其发展应用。介绍了氧化硅气凝胶绝热材料制备工艺的研究进展,对氧化硅气凝胶在建筑领域的应用形式（如超轻气凝胶泡沫混凝土、超高性能气凝胶保温隔热板、超低传热系数气凝胶节能玻璃等）进行了综述,并对氧化硅气凝胶在建筑节能领域的发展方向进行了展望。响应碳中和发展目标,随着气凝胶制备技术的发展与成本降低,氧化硅气凝胶绝热材料将在建筑墙体保温隔热方面广泛应用,同时对其性能提出了更多功能性要求,对氧化硅气凝胶材料还需开展更系统的基础研究以及工程应用技术研发,推动建筑领域的节能减碳与可持续发展。     

A novel strategy for the construction of silk fibroin–SiO2 composite aerogel with enhanced mechanical property and thermal insulation performance

The practical application of silica aerogels is an enormous challenge due to the difficulties in improving both mechanical property and thermal insulation performance. In this work, silk fibroin was used as scaffold to improve the mechanical property and thermal insulation performance of silica aerogels. The ungelled SiO₂ precursor solution was impregnated into silk fibroin to prepare silk fibroin–SiO₂ composite aerogels via sol−gel method followed by freeze-drying. By virtue of the interfacial hydrogen-bonding interactions and chemical reactions between silk fibroin and silica nanoparticles, SiO₂ was well-dispersed in the silk fibroin aerogel and composite aerogels exhibited enhanced mechanical property. By increasing the loading of silk fibroin from 15 wt % to 21 wt %, the maximum compressive stress was enhanced from 0.266 to 0.508 MPa when the strain reached 50%. The thermal insulation performance of the composite aerogels was improved compared with pure silica aerogel, as evidenced that the thermal conductivity was decreased from 0.0668 to 0.0341 W∙m^‒1∙K^‒1. Moreover, the composite aerogels exhibited better hydrophobicity and fire retardancy compared to pure silica aerogel. Our work provides a novel approach to preparing silk fibroin–SiO₂ composite aerogels with enhanced mechanical property and thermal insulation performance, which has potential application as thermal insulation material.     

SiO2气凝胶复合材料的隔热和力学性能优化

SiO2气凝胶是一种新型多功能固体材料,因具有极低热导率在热学、光学及电学等领域具有广泛的发展和应用前景.但是SiO2气凝胶的高温隔热和力学性能较差,通常通过加入遮光剂和增强纤维制备三组分气凝胶复合材料,可有效改善其隔热和力学性能.在改善的过程中,组分质量分数对三组分气凝胶复合材料的隔热和力学性能影响很大.本文通过建立热导率理论模型,结合三元正交设计法研究了组分质量分数对热导率的影响规律.采用三元正交法优化了三组分气凝胶复合材料的组分质量分数,并优化获得了同时满足给定隔热和力学性能的组分区域,提供了满足工程需求的组分区域.     

Synthesis of silica aerogel thin sheets and evaluation of its thermal,electrical, and mechanical properties

Silica aerogels are excellent thermal and acoustic insulators because of interconnected open nanopores with more than 90% porosity and higher surface area. Silica aerogel is derived by sol-gel process and dried under super-critical, sub-critical or ambient pressure conditions. Thin silica aerogel sheets could be effective thermal insulators but high fragility hinders the wider applications. We have successfully developed a synthesis method for thin, flexible, and non-fragile aerogel sheets with excellent hydrophobicity, lower thermal conductivity, and non-combustible properties via ambient drying method. The silica aerogel sheets prepared compose of silica aerogel powder, fiber glass chopped strands, and solvent-based binder. Aerogel thin insulation sheets of thickness 164 μm were prepared by pressing through rollers using aerogel paste composed of aerogel powder, fiber glass strands, and binders. The thermal conductivity values obtained were between 0.02~0.63 W/mK at temperature 25~400°C, contact angle θ = 121‘_, weight loss 3.91% when heated up to 800°C in air, dielectric voltage breakdown 3.67 kV, dielectric strength 6.37 kV/mm and tensile strength of 2.65 N/mm². The overall thermal, electrical, and mechanical evaluation of aerogel thin insulation sheet showed they have higher potential to replace existing thick and bulky aerogel composites as thermal and electrical insulators in aviation, automobiles, electronics, and high power batteries.     

SiO2气凝胶纤维隔热复合材料的常压制备及性能表征

SiO₂气凝胶的力学性能较差,隔热性能较强,为了使其成为良好的隔热材料,本文提出一种SiO₂气凝胶纤维隔热复合材料的制备方法。以正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体,玻璃纤维和陶瓷纤维为增强体,硅烷偶联剂KH550和KH570为纤维处理剂,在常压条件下制备SiO₂气凝胶纤维隔热复合材料,并对材料性能进行表征。结果表明:前驱体中十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)含量越高,复合材料中SiO₂气凝胶导热系数越低,低至0.028 W/(m·K);使用硅烷偶联剂KH550时,基体和纤维之间结合的紧密程度更高;纤维的加入使SiO₂气凝胶的力学性能达到很高水平;当前驱体中TEOS与CTAB摩尔比为1∶0.022时,经KH550处理的玻璃纤维/SiO₂气凝胶复合材料导热系数为0.054 W/(m·K),力学性能良好,隔热性能最优。     

Lightweight,robust, porous heterocyclic para-aramid aerogel hollow fibers for multifunctional applications

In nature, many fibers with warmth-retention properties, such as the hair of polar bears and rabbits, both have a hollow cross-section structure. The static air in fiber cavities can effectively inhibit heat conduction and serve as an effective thermal insulator. In this work, the high-performance heterocyclic para-aramid polymer was selected as the spinning solution, and aerogel hollow fiber was prepared by coaxial wet spinning and freeze-drying techniques. The effects of spinning solution concentration and lyophilized solvent on the micromorphology, mechanical properties, and specific surface area of heterocyclic para-aramid aerogel hollow fiber (HPAAHF) were systematically studied. The produced HPAAHF possessed excellent mechanical properties (tensible strength ~3.85 MPa), high specific surface area (~ 260.90 m² g⁻¹), and lightweight advantages. The thermal conductivity of HPAAHF was only 0.0278 W m⁻¹ K⁻¹, indicating its excellent thermal insulation properties. The aerogel fabric exhibited outstanding flame retardancy properties, with a total heat release of only 0.7 MJ m⁻² in the cone calorimetric experiment, making it a self-extinguishing fabric. In addition, phase change material was injected into the hollow structure to obtain aerogel-phase change material composite fibers, which exhibited great energy storage prospects. As a result, the high-performance heterocyclic para-aramid polymer-based aerogel hollow fiber was successfully prepared and had multifunctional applications in thermal insulation, flame retardancy, and heat energy storage fields.