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。     

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。     

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。     

纤维增强Si-C-O气凝胶隔热复合材料的制备与表征

以正硅酸乙酯为原料,通过二甲基二乙氧基硅烷引入碳元素,以乙醇为溶剂,盐酸和氨水为催化剂,莫来石纤维为增强相,采用溶胶–凝胶、超临界干燥和1 200℃高温裂解工艺制备Si-C-O气凝胶隔热复合材料,并对材料的结构和性能进行了分析和表征。结果显示：1 200℃裂解得到的Si-C-O气凝胶复合材料为黑色且加工成型性较好,纤维表观体积密度为0.15 g/cm3时,800℃和1 000℃热导率分别为0.031 9 W/（m K）和0.043 0W/（m K）。纤维表观体积密度增大（0.15～0.30 g/cm3）,复合材料的拉伸和压缩强度增大,密度为0.25 g/cm3时,抗弯强度最大。1 200℃裂解得到的Si-C-O气凝胶的比表面积为217.7 m2/g,空气中1 000℃煅烧后,比表面积为208.6 m2/g。Si-C-O气凝胶复合材料在1 000℃空气中煅烧后没有出现收缩。     

氧化石墨烯/氨基硅氧烷复合气凝胶的制备与性能研究

以氨基硅氧烷、烷基硅氧烷和石墨烯氧化物(GO)为原料,经溶胶-凝胶-冷冻干燥法一锅法制备了一种新型氧化石墨烯/氨基硅氧烷复合气凝胶——本征氨化硅基复合气凝胶;利用红外光谱(IR)、扫描电镜(SEM)、比表面积分析(BET)、热重分析(TG)、CO_2吸附量测试(Quantity Adsorbed of CO_2)对所得气凝胶进行了结构表征确证及性能测试。所得复合气凝胶具有双互穿网络结构,含GO氨化硅基气凝胶样品热分解温度在470℃,无GO氨化硅基气凝胶样品热分解温度为360℃。两者均有较高的热稳定性。在273 K,相对压力为0.033时,无GO氨化硅基气凝胶样品CO_2吸附量为11.60 mg·g~(-1),含GO氨化硅基气凝胶样品CO_2吸附量为11.92 mg·g~(-1)。     

芳纶复合纳米纤维气凝胶的制备及其性能研究

将SiO_2纳米粒子加入到由去质子化方法制备的芳纶纳米纤维分散液中,制备芳纶复合纳米纤维气凝胶。通过一系列表征测试,分析了无机纳米粒子添加的芳纶复合气凝胶的力学性能、热性能和燃烧性能。试验结果表明:制得的复合纳米气凝胶的密度为5.6 mg/cm~3,在80%压缩应变下可承受280 kPa的应力,并且具备低导热系数[27.0 mW/(m·K)],热释放峰值仅为11.12 W/g;芳纶复合纳米纤维气凝胶属于离火自熄灭材料,具有优异的阻燃防火性能。     

二氧化硅气凝胶改性热塑性聚氨酯弹性体材料的制备及性能研究

采用预聚体法制备了聚酯型热塑性聚氨酯弹性体(TPU)/二氧化硅气凝胶复合材料,研究了不同二氧化硅气凝胶用量对复合材料力学性能、耐水解性能与高温稳定性等性能的影响,并对复合材料的结构进行了分析与表征。结果表明:加入二氧化硅气凝胶后,复合材料的力学性能有所提高,耐水解性能较TPU基体有所提升,复合材料的导热系数降低。热重分析测试表明:加入二氧化硅气凝胶提高了复合材料的高温稳定性。扫描电镜测试表明:二氧化硅气凝胶在TPU基体中分散良好。     

K2Ti6O13晶须掺杂对SiO2气凝胶结构和红外透过性能的影响

以正硅酸乙酯、去离子水为原料,六钛酸钾(K2Ti6O13)晶须为红外遮光剂,采用溶胶-凝胶结合非超临界干燥的方法制备了K2Ti6O13-SiO2气凝胶纳米孔复合隔热材料.采用扫描电镜,透射电镜,Fourier转换红外光谱,差热-热重分析和X射线衍射分析了K2Ti6O13SiO2复合材料的微观结构、红外光谱特性、热重-差...     

陶瓷纤维增强氧化硅气凝胶隔热复合材料的力学性能

将陶瓷纤维与氧化硅溶胶复合经超临界干燥得到陶瓷纤维增强氧化硅气凝胶隔热复合材料.研究了陶瓷纤维体积分数以及气凝胶密度对材料力学性能的影响,分析了纤维对气凝胶隔热复合材料的增强机制.结果表明:纤维与气凝胶复合后,气凝胶充分填充纤维之间的空隙,复合材料力学性能得到显著改善.气凝胶隔热复合材料的力学性能随纤维体积分数的增大先增后减,随气凝胶密度的增大则逐渐增大.当纤维体积分数为7.6%,气凝胶密度为0.202g/cm3时,材料抗拉强度、抗弯强度分别为1.44,1.31 MPa,抗压强度可达0.59MPa(10%形变)、1.28MPa(25%变).     

溶胶凝胶法制备SiO2气凝胶/纤维复合材料及其性能的表征

以正硅酸乙酯（TEOS）为前躯体,采用溶胶-凝胶工艺制备氧化硅溶胶,将其与无机陶瓷纤维预置体在常温下复合干燥后得到SiO2气凝胶隔热复合材料。利用扫描电子显微镜（SEM）对样品微观结构进行分析,利用热平板法对材料的热学性能进行表征,分析了氧化硅气凝胶隔热复合材料隔热机理。研究表明：采用溶胶凝胶工艺和真空技术,气凝胶充分填充在纤维预置体的空隙中,可以制得低导热系数、低热扩散系数和低比热容的SiO2气凝胶/纤维复合材料,导热系数为0.06815W/mK,热扩散系数为0.2677mm^2/s,比热容为0.2919MJ/m3K。     

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）。     

石墨烯气凝胶/二十烷相变材料的制备及性能研究

以氧化石墨烯（GO），二十烷（Eicosan）为原料，先采用胶体团聚法制备还原-氧化石墨烯气凝胶，再通过自扩散获得了还原氧化石墨烯气凝胶/二十烷复合相变材料,研究了复合材料与性能的关系。采用热重和差示量热扫描仪测试了二十烷和复合材料的热性能，确认了二十烷质量分数对复合材料的焓值的关系以及相变循环次数对材料稳定性的影响。结果表明：复合材料的焓值与二十烷的质量分数成正比；经过50次相变循环后，PCM4仍然保持稳定性。导热性能分析表明, 还原氧化石墨烯气凝胶可以改善二十烷的热导率。此外，通过太阳光模拟测试，计算出复合材料的光热转换效率为55%。     

SiO2气凝胶提高岩棉和玻璃棉性能的实验研究

以无水乙醇为溶剂,SiO₂气凝胶为溶质,制取SiO₂气凝胶改性溶液。采用浸润及常压干燥的方法制备岩棉/SiO₂气凝胶复合板和玻璃棉/SiO₂气凝胶复合板,研究不同质量分数的SiO₂气凝胶对复合板的短期吸水量、热导率及抗压强度的影响,并分析SiO₂气凝胶质量分数为8%时制备的岩棉/SiO₂气凝胶复合板和玻璃棉/SiO₂气凝胶复合板的改性效果,进而采用扫描电镜对复合板的微观形貌进行了表征。结果表明,SiO₂气凝胶均匀附着于无机纤维上,形成了较为稳定的复合体系;随着SiO₂气凝胶质量分数的不断增加,岩棉/SiO₂气凝胶复合板和玻璃棉/SiO₂气凝胶复合板的短期吸水量和热导率都逐渐减小,其抗压强度有一定的提升。比较改性后的岩棉和玻璃棉,后者的防水性能和抗压强度改善更明显。当SiO₂气凝胶质量分数达到8%时,岩棉/SiO₂气凝胶复合板和玻璃棉/SiO₂气凝胶复合板的短期吸水量较改性前分别下降了35.0%和36.2%,热导率分别下降了26.7%和18.3%,抗压强度分别提升了6.5%和102.9%。     

Facile preparation for gelatin/hydroxyethyl cellulose-SiO2 composite aerogel with good mechanical strength,heat insulation,and water resistance

The advanced thermal insulation materials with low cost and high mechanical properties play an important role in transport packaging and thermal protection fields. An inorganic/organic composite aerogel was prepared through hydrogen bonds and chemical crosslinking among silica aerogel particles, gelatin (GA), and hydroxyethyl cellulose (HEC). The as-prepared GA/HEC-SiO₂ composite aerogels were characterized by compression tests, scanning electron microscopy, Fourier transform infrared, thermogravimetric analyzer, and contact angle tests to investigate the chemical composition and physical structure. The GA/HEC-SiO₂ composite aerogels exhibited a strong mechanical strength (0.53–4.01 MPa), a high compression modulus (1.33–11.52 MPa), a lower volume density (0.035–0.081 g/cm³), thermal conductivity as low as 0.035 W/[m K]), a porosity of more than 93%, and hydrophobic angle as high as 150.01° after hydrophobic modification. These results indicate that biopolymer composite aerogels embedded with SiO₂ aerogel particles display a bright future in thermal insulation.     

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.     

Elytra-mimetic ceramic fiber aerogel with excellent mechanical,anti-oxidation,and thermal insulation properties

High-performance thermally insulating aerogel with low density, high porosity, and low thermal conductivity characteristics was widely used in heat insulation. However, the large-scale application of aerogel was still limited by its brittleness and infrared radiation transparency at high-temperature. Fiber composite aerogel had achieved significant progress, but its anti-oxidation ability was poor, and its thermal insulation required further improvement at ultra-high temperatures. Herein, inspired by the structure of elytra, nanoparticle fiber (NF) was prepared by electrospinning of coaxial fiber loaded with opacifier and antioxidant nanoparticles. The NF was incorporated into the SiBCN aerogel to prepare NF/SiBCN ceramic fiber aerogel. The mechanical properties were improved by fiber networks. The shell structure increased the antioxidant properties. Heat conduction and heat convection were suppressed by the aerogel, while heat radiation was reduced by the coaxial fiber. The results showed that the ceramic fiber aerogel exhibited superior mechanical, antioxidant, and ultra-low thermal conductivity properties.     

Flexible Electrospun strawberry-like structure SiO2 aerogel nanofibers for thermal insulation

Herein, a novel flexible SiO₂ aerogel composite nanofiber membrane with strawberry-like structure and excellent thermal insulation properties, in which SiO₂ aerogel particles act as thermal insulation filler, was prepared by electrospinning technology. With the addition of nano-pore structure SiO₂ aerogel particles, the heat transfer path of the fibers inside the membrane became discontinuous, endowing the as-prepared membrane an ultra-low thermal conductivity of 30.3 mW/(m?K) and large surface area of 240 m²/g. Moreover, the nanofibers membrane also possesses the combined merits of excellent fire resistance, high-temperature stability, and temperature-invariant flexibility, rendering it a promising in the application of insulation and gas adsorption. The successful preparation of this flexible nanofiber membrane paves a new way to design materials with excellent thermal insulation and adsorption properties.     

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.