耐高温、高强度隔热复合材料研究进展

新型航天飞行器大面积热防护系统中,外部的防隔热层和机体内部冷结构之间一般需要用耐高温、高强度的隔热材料进行连接。在高温工业领域,隔热材料需要同时发挥隔热、承重功能。具有耐高温、高强度、低热导率性能的隔热材料在航空航天、高温工业等领域具有广阔的应用前景。多孔陶瓷因为其独特的多孔结构,具有较高的孔隙率、较低的热导率,被广泛应用于隔热领域。但多孔陶瓷材料的高孔隙率导致其强度较低,因此,近年来除开发新型高强度多孔陶瓷材料外,主要从选择合适的增强纤维和制备工艺优化方面不断提高多孔陶瓷材料的强度。目前,以纤维为增强体的纤维增强多孔陶瓷基复合材料,或者以纤维为基体的纤维多孔陶瓷材料研究成果较为丰硕,在充分发挥多孔陶瓷低热导率优势的同时大幅度提高了材料的强度。在具有较低热导率的多孔陶瓷基复合材料中,纤维增强纳米孔气凝胶隔热复合材料具有独特的纳米孔结构,其孔隙率很高、热导率很低且具有一定的强度;纤维多孔陶瓷具有由纤维与粘结剂构成的微米孔,孔隙率较高,其热导率虽高于气凝胶隔热复合材料,但强度较高、耐温性较好;纤维增强氧化物陶瓷基复合材料强度很高、耐温性也较好,但孔隙率较低、热导率较高。本文归纳了国内外耐高温、高强度隔热复合材料的研究进展,分别对纤维增强气凝胶隔热复合材料、纤维多孔陶瓷隔热材料、纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的制备方法与相关性能进行介绍,分析了耐高温、高强度隔热复合材料面临的问题并展望其前景。     

氧化硅气凝胶隔热复合材料研究进展

氧化硅气凝胶由于纤细的纳米结构,具有极低的热导率,是一种新型轻质保温隔热的理想材料。但其力学性能和高温遮挡红外辐射能力差限制了气凝胶在该领域的应用。通过添加增强体和遮光剂研制气凝胶隔热复合材料是主要的解决方法。本文综述了近年来气凝胶隔热复合材料的制备方法,重点分析了气凝胶复合材料在力学性能和隔热性能方面的研究进展,并指出了存在的问题,对今后的研究提出了展望。     

纤维增强SiO_2气凝胶复合材料研究进展

纤维增强改性可以改善SiO_2气凝胶的力学性能,扩展SiO_2气凝胶应用领域。介绍了纤维增强SiO_2气凝胶复合材料的制备方法,综述了纤维增强改性对SiO_2气凝胶复合材料力学性能、隔热性能影响的研究进展,展望了纤维增强SiO_2气凝胶复合材料的应用前景。     

遮光剂掺杂Al2O3-SiO2气凝胶/莫来石纤维毡复合材料的高温隔热性能研究

分别以TiCl₄和ZrOCl₂·8H₂O作为钛源和锆源, 经过溶胶-凝胶和超临界CO₂干燥过程, 将遮光剂粒子TiO₂和ZrO₂掺入到Al₂O₃-SiO₂气凝胶, 并进一步以莫来石纤维毡为增强相制备出具有一定力学性能的耐高温气凝胶复合材料, 分别探究了两种遮光剂粒子对复合材料的微观结构、力学性能和热导率的影响。结果显示: 遮光剂粒子的引入可以有效阻止气凝胶在高温下的塌陷和团聚, 保持气凝胶高孔隙率的特性; 复合材料呈现典型的气凝胶填充纤维结构, 并且具有轻质(0.21~0.24 g·cm^-1)和高强度(弯曲强度为0.98~1.26 MPa)的优异性能, 拓展了材料的实用性; 在 1050℃的高温下, 由于 TiO₂ 和 ZrO₂ 粒子对红外电磁波具有吸收和散射作用, 可以将复合材料的热导率由0.098 W·m^-1·K^-1分别降低至0.085 W·m^-1·K^-1和0.076 W·m^-1·K^-1, 从而有效提高材料的高温隔热性能。     

耐高温氧化铝气凝胶研究进展

在众多气凝胶中,氧化铝气凝胶不仅热导率低,而且高温稳定性好(长期使用温度高达950℃),在高温催化、高温隔热等领域是一种理想的材料。但在工作温度超过1000℃时,氧化铝气凝胶的使用受到限制。简要介绍了氧化铝气凝胶的制备工艺,分析了氧化铝气凝胶的失效理论,并对其耐高温性能的改善进行了探讨。     

无机纤维增强SiO2气凝胶隔热复合材料的研究进展

SiO_2气凝胶因其独特的纳米孔结构而具有低密度、低热导率等特点,具备成为高效隔热材料的潜力,然而SiO_2气凝胶的力学性能较差,极大地限制了其在隔热领域的应用。采用无机纤维作为增强体,制备的SiO_2气凝胶复合材料同时具有较好的力学和隔热性能,是目前国内外高性能隔热材料的研究热点之一。综述了无机纤维增强SiO_2气凝胶隔热复合材料的制备方法及其研究进展,并展望了其未来发展方向。     

酚醛气凝胶多功能复合材料的设计与性能

为解决单一结构体系的隔热材料在实际应用中存在重量、烧蚀和隔热问题,本文选择三种耐温点不同的柔性纤维织物进行功能梯度的热防护结构设计,采用2.5D针刺编织等工艺制备出非均匀密度的功能梯度纤维增强体,通过对酚醛树脂改性、溶胶-凝胶工艺浸渍纤维增强体、超临界干燥、后处理等过程制备出纤维增强酚醛气凝胶多功能复合材料,完成了产品的力、热等性能测试,重点分析了材料的烧蚀性能。结果表明,这种非均匀密度的多功能酚醛气凝胶复合材料具有质轻、导热系数小、集烧蚀/隔热于一体等特点,进一步验证了酚醛气凝胶复合材料多功能方案应用的可行性。     

增强改性SiO2气凝胶复合材料的研究进展

SiO₂气凝胶是一种含有纳米介孔结构的轻质固体材料，具有高孔隙率、高比表面积、低导热性、低介电性等特性，在隔热、吸附、吸声、发光、催化、电子等工业领域具有广阔的应用前景。但SiO₂气凝胶自身孔结构存在易碎、易坍塌等缺陷，导致应用受到较大限制。在保持SiO₂气凝胶良好特性的前提下，对其进行增强改性制备力学性能优良的SiO₂气凝胶复合材料是近年来的研究热点。本文报道了无机/有机纤维增强改性SiO₂气凝胶、有机聚合物增强改性SiO₂气凝胶及无机物掺杂增强改性SiO₂气凝胶等复合材料的主要制备工艺过程、材料综合性能表现及增强改性机制，探讨了增强改性SiO₂气凝胶复合材料研究进展及重点方向，以期为增强改性SiO₂气凝胶复合材料的研究和应用提供新的设计思路。      

SiO2气凝胶@聚合物复合材料的制备方法及性能研究进展

SiO₂气凝胶@聚合物复合材料融合了SiO₂气凝胶纳米多孔、低热导、耐高温特性及聚合物柔韧、高强特性，可在微观尺度形成独特的有机无机互渗透结构，既克服了SiO₂气凝胶脆性大、强度低的固有缺陷，也增强了聚合物的隔热、耐高温、阻燃、疏水等功能，从而可用于需求高强、高韧、高效绝热、耐高温、阻燃、防火、超疏水等多种复合功能的应用场景，是当前气凝胶新材料领域的研究热点。本文从SiO₂气凝胶@聚合物复合材料的制备方法、组成与微观结构、物理化学性能三个角度综述了当前领域最新研究进展，涵盖了环氧树脂、聚氨酯、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚苯乙烯等常见聚合物体系，归纳总结了“共混法”“共前驱体法”“气凝胶或聚合物原位生长法”三种典型制备途径，分别从组成与结构、力学性能、热学性能、阻燃性能、疏水性能等方面，阐述了气凝胶@聚合物复合材料的结构与性能特点，分析了制备方法及气凝胶掺量等因素对复合材料体系结构与性能的影响规律。在此基础上，梳理了SiO₂气凝胶@聚合物复合材料当前研究存在的问题及未来可能的发展方向。     

高温隔热用微纳陶瓷纤维研究进展

陶瓷纤维具有密度低、强度高、耐高温、抗氧化和耐机械震动性能好等优点, 是空天飞行器、核能发电和化工冶金等热防护领域所需的关键高温隔热材料。传统陶瓷纤维直径粗(?>5 μm)、脆性大、热导率高, 在实际隔热领域应用中受到了极大限制。减小纤维直径, 制备微纳陶瓷纤维, 不仅有利于提高纤维力学性能, 还有望改善其高温隔热性能, 近年来引起了研究者的广泛关注。从微纳陶瓷纤维中影响热传输(气体热传导、固体热传导和辐射传热)的本征因素出发, 有针对地进行组成和结构优化, 进而改善其高温隔热性能, 是当前微纳陶瓷隔热纤维研究的重点方向。本文结合国内外研究现状, 在介绍微纳陶瓷纤维隔热机理的基础上, 按照纤维的组成和结构特点将目前微纳陶瓷隔热纤维分为三类, 即微纳陶瓷纤维气凝胶、中空/多孔微纳陶瓷纤维和复合微纳陶瓷纤维。对这三类不同特点的微纳陶瓷隔热纤维最新研究进展进行综述, 并展望了微纳陶瓷隔热纤维的未来发展方向。     

Aramid fibers reinforced silica aerogel composites with low thermal conductivity and improved mechanical performance

Aramid fibers reinforced silica aerogel composites (AF/aerogels) for thermal insulation were prepared successfully under ambient pressure drying. The microstructure showed that the aramid fibers were inlaid in the aerogel matrix, acting as the supporting skeletons, to strengthen the aerogel matrix. FTIR revealed AF/aerogels was physical combination between aramid fibers and aerogel matrix without chemical bonds. The as prepared AF/aerogels possessed extremely low thermal conductivity of 0.0227 ± 0.0007 W m⁻¹ K⁻¹ with the fiber content ranging from 1.5% to 6.6%. Due to the softness, low density and remarkable mechanical strength of aramid fibers and the layered structure of the fiber distribution, the AF/aerogels presented nice elasticity and flexibility. TG–DSC indicated the thermal stability reaching approximately 290 °C, can meet the general usage conditions, which was mainly depended on the pure silica aerogels. From mentioned above, AF/aerogels present huge application prospects in heat preservation field, especially in piping insulation.     

红外遮光剂在二氧化硅气凝胶中的应用研究进展

气凝胶作为目前为止最轻的固体,具有极低的热导率,是一种较为理想的轻质、高效、最具潜力的隔热材料。但纯二氧化硅气凝胶的红外透明性影响了其高温隔热性能。介绍了红外遮光剂红外辐射抑制机理,综述了使用炭黑、TiO2和六钛酸钾晶须等作为红外遮光剂提高二氧化硅气凝胶隔热性能的研究进展,并对未来红外遮光剂在二氧化硅气凝胶中的应用做了展望。     

A review on the emerging resilient and multifunctional ceramic aerogels

Ceramic aerogels are attractive for their low density,high porosity,large surface area as well as vari-ous applications in areas of thermal insulation,catalysis,filtration,and lightweight structural materials.Conventional ceramic aerogels are usually assembled by oxides nanoparticles.Due to the inefficient neck-like connections between the nanoparticles and the volume shrinkage at elevated temperatures,ceramic aerogels fail easily caused by the brittleness and high-temperature structural collapse.To overcome these drawbacks,a class of resilient ceramic aerogels with highly porous architectures that are composed of one-or two-dimensional nanostructures has been prepared.Benefiting from the unique microstruc-tures and/or the high-temperature stability of their building blocks,these aerogels exhibit reversible compressibility,high-temperature stability,thermal insulation,and various functions.In this review,we introduced the preparation methods,microstructures,mechanical properties,high-temperature stabil-ity,thermal insulation and various functions of these resilient ceramic aerogels.We have also discussed the relationships between their microstructures and properties,including mechanical properties and thermal insulation performance.Finally,perspectives for the further development of resilient ceramic aerogels are presented.     

高红外遮蔽SiZrOC纳米纤维膜的制备及其性能研究

陶瓷纤维具有较好的力学、耐高温和抗热震性能,是重要的高温隔热材料.目前,传统陶瓷纤维膜高温隔热性能不佳,限制了其在高温隔热领域的应用.本研究采用静电纺丝技术制备了具有高红外遮蔽性能的SiZrOC纳米纤维膜,纤维的平均直径为(511±108)nm,组成为SiO2、ZrO2、SiOC和自由碳.SiZrOC纤维膜展现出优异的...     

氧化铝气凝胶的合成与性能

氧化铝气凝胶具有大比表面积、高孔隙率以及比氧化硅气凝胶更优异的热稳定性, 在高温隔热和催化领域有广阔的应用前景, 但其复杂的合成工艺和较低的强度限制了其应用。本文首先介绍氧化铝气凝胶合成工艺, 指出溶胶-凝胶过程中存在的问题, 不同干燥方式的特点以及最新发展的干燥工艺; 然后介绍了近年来氧化铝气凝胶在比表面积、热稳定性、强度、导热系数等性能改善方面所取得的代表性研究成果; 最后介绍了氧化铝气凝胶在高温催化、隔热领域的应用, 并展望了未来氧化铝气凝胶的发展方向以及应关注的问题。     

Carbon aerogel composites prepared by ambient drying and using oxidized polyacrylonitrile fibers as reinforcements

Carbon fiber-reinforced carbon aerogel composites (C/CAs) for thermal insulators were prepared by copyrolysis of resorcinol-formaldehyde (RF) aerogels reinforced by oxidized polyacrylonitrile (PAN) fiber felts. The RF aerogel composites were obtained by impregnating PAN fiber felts with RF sols, then aging, ethanol exchanging, and drying at ambient pressure. Upon carbonization, the PAN fibers shrink with the RF aerogels, thus reducing the difference of shrinkage rates between the fiber reinforcements and the aerogel matrices, and resulting in C/CAs without any obvious cracks. The three point bend strength of the C/CAs is 7.1 ± 1.7 MPa, and the thermal conductivity is 0.328 W m(-1) K(-1) at 300 °C in air. These composites can be used as high-temperature thermal insulators (in inert atmospheres or vacuum) or supports for phase change materials in thermal protection system.     

常压干燥制备SiO2气凝胶复合材料研究进展

SiO_2气凝胶复合材料具有低密度、低热导、高强度等优异性能,已在航空航天、石油化工、建筑保温等领域获得较好应用。然而现有成熟的超临界干燥制备SiO_2气凝胶复合材料工艺需要维持高温、高压条件,能耗高、危险性大且设备复杂,常压干燥制备工艺由于所需条件温和、设备简单,有望实现连续性规模化生产。本文结合国内外关于常压干燥制备SiO_2气凝胶复合材料的研究进展,按照颗粒、纤维等增强相的不同,对常压干燥制备SiO_2气凝胶复合材料进行综述并对其未来发展方向进行了展望。