硅气凝胶纳米材料的力学性能与增韧

本文综述了低温超临界干燥制备的块状硅气凝胶纳米材料的力学性能特征，论述了材料密度与硅气凝胶的力学性能的关系。从材料的制备过程出发，指出了控制裂纹和提高硅气凝胶韧性的一些方法。简介了硅气凝胶纳米材料的制备与应用，讨论了热处理过程以及材料的微观结构对硅气凝胶材料强度和韧性的影响，给出了初步的结论     

不同硅源制备二氧化硅气凝胶的研究进展

硅源作为溶胶-凝胶法制备二氧化硅气凝胶前驱体的重要组成部分,对获得结构完整、性能优良的二氧化硅气凝胶以及构建满足不同应用需求的二氧化硅气凝胶至关重要。考察了制备二氧化硅气凝胶所用的单一硅源、复合硅源以及功能性硅源对气凝胶的形貌及物理性能的影响,并对3类不同硅源制备二氧化硅气凝胶进行了综述。     

改性硅气凝胶/聚甲基丙烯酸甲酯乳液的制备与性能研究

采用HMDS(六甲基二硅氮烷)改性硅气凝胶,通过乳液聚合法,将改性硅气凝胶与甲基丙烯酸甲酯(MMA)进行聚合,制得改性硅气凝胶/聚甲基丙烯酸甲酯复合乳液,并且讨论了硅气凝胶的表面状态,以及改性气凝胶质量分数对复合乳液性能的影响。结果表明:HMDS可成功修饰于硅气凝胶表面,将改性硅气凝胶与PMMA乳液体系复合,乳液综合性能呈现较为显著的变化。HMDS修饰的硅气凝胶有助于降低乳液的导热系数,加入3%HMDS修饰的硅气凝胶可以使成膜后的乳液具有较低的导热系数。     

硅气凝胶纳米材料的力学性与增韧

本文综述了低温超临界干燥制备的块状硅气凝胶纳米材料的力学性能特征，论核实 了材料密度与硅气凝胶的力学性能的关系。     

硅气凝胶的结构控制研究

以正硅酸乙酯为原料，用溶胶－凝胶法和超临界干燥工艺制备了纳米多孔硅气凝胶，系统研究了原料和溶剂（水或酒精）的用量及催化剂的使用，老化等因素对硅气凝胶结构的影响，利用这睦因素可以实现对该材料的结构进行纳米尺度上的控制，从而为该材料的应用开发奠定基础。     

气凝胶骨架结构的有机-无机交联度对其力学、热学性能的影响

硅系气凝胶是目前研究理论最为完善、合成技术最为成熟的气凝胶材料。本工作分别以四乙氧基硅烷(TEOS)、甲基三甲氧基硅烷(MTMS)、MTMS与二甲基二甲氧基硅烷(DMDMS)混合硅源、乙烯基甲基二甲氧基硅烷(VMDMS)为前驱体, 制备了不同种类的硅系气凝胶。所制得的硅系气凝胶具有较高的比表面积, 并呈现出纳米多孔的网络结构。本研究详细探讨了前驱体结构对气凝胶的力学及热学性能的影响。结果表明, 硅系气凝胶的骨架结构交联度越低, 弹性性能越好; 同时, 引入有机碳氢链会进一步提升气凝胶的弹性性能。所制备的硅系气凝胶兼具良好的保温隔热性能, 常温热导率在0.032~0.041 W/(m·K)范围内, 热重损失随着骨架结构内有机组分的增多而增大。这些优良的力学及热学性能使硅系气凝胶在保温隔热、储能等领域均具有广阔的应用前景。     

SiC掺杂改性SiO2气凝胶的制备及其隔热性能研究

以正硅酸乙酯和甲基三乙氧基硅烷为共聚硅源，加入干燥控制化学添加剂N,N-二甲基甲酰胺，酸催化制备硅溶胶，并添加遮光剂SiC,混合均匀后在碱性条件下老化得到SiC掺杂改性双硅源体系SiO₂溶胶，再利用疏水改性、溶剂交换等后处理工艺，常压干燥得到SiC掺杂改性SiO₂气凝胶。考察了双硅源体系SiO₂气凝胶的组织性能、表面形貌、物质构成和孔结构等，进一步分析了不同SiC掺杂量和温度条件对SiO₂气凝胶隔热性能的影响。结果表明，SiC掺杂改性双硅源体系SiO₂气凝胶的导热系数在700℃条件下可低至0.0482W/(m·K),且具有良好的高温隔热性能。     

超临界干燥制备PSNB气凝胶及其超疏水性能研究

以聚硼硅氮烷为原料,二乙烯苯为交联剂,通过硅氢加成反应结合超临界干燥工艺制备聚硼硅氮烷气凝胶。利用红外光谱、扫描电镜、比表面积与孔径分析仪对所制备气凝胶的形成及微观结构进行了分析,并通过接触角仪对样品的疏水性能进行了研究。结果表明:聚硼硅氮烷和二乙烯苯通过硅氢加成反应制得聚硼硅氮烷气凝胶;所制备的气凝胶的比表面积为307~458cm~2/g,孔体积为1.20~2.17cm~3/g,孔径分布为2.0~100nm,是一种具有三维网状结构的介孔材料,并具有超疏水性能,且当起始溶剂体积分数为85%时,气凝胶疏水性能最佳,接触角为151.5°。     

常压制备低孔径高比表面积疏水SiO2气凝胶

以正硅酸乙酯为先驱体，丙三醇为干燥控制化学添加刑（DCCA），通过酸碱两步溶胶-凝胶法制备了二氧化硅气凝胶，同时利用六甲基二硅氮皖（HMDZ）和正己烷的混合液对湿凝胶进行表面疏水改性。测试分析了所制备气凝胶的密度、疏水性、比表面积和形貌。结果表明，经过表面改性的SiO2气凝胶具有良好疏水性，与水的接触角约为139．4°...     

SiO_2气凝胶的合成与孔结构表征

采用溶胶-凝胶法结合超临界流体干燥技术制备了SiO2气凝胶,系统地考察了醇硅比、水硅比、体系pH值等制备条件对SiO2气凝胶胶凝时间、孔径分布及孔型结构的影响.结果表明,水硅比对气凝胶的孔径分布和孔型具有较大的影响;水用量增加.胶凝时间延长,气凝胶的孔径分布逐渐变窄,孔型趋于一致.乙醇不参与溶胶-凝胶反应,只对TEOS有助溶和稀释的作用,因此乙醇用量增加,溶胶的胶凝时间延长,但对体系反应的影响相对较小,不会引起气凝胶孔结构的剧烈改变.在较小pH值或弱碱性范围内,pH值对孔形结构的影响也比较小,体系pH值增大,胶凝时间缩短,制得的气凝胶孔径分布较窄,孔型均一.当pH值大于8.5后,不利于气凝胶网络结构的形成和均匀分布,胶凝时间随pH值的增大而延长,制备的气凝胶孔径和孔型分布都比较大.     

基于双硅氧烷先驱体制备的氧化硅基气凝胶研究进展

气凝胶材料具有高比表面积、高孔隙率、低密度、低热导率和高透过率等特性, 在隔热、隔声和光学等领域具有广泛的应用前景。但该类材料纤细骨架构成的多孔结构所呈现的高脆性是限制其应用的主要因素。本文依据硅氧烷先驱体含有不可水解基团数量的特征, 综述了采用全水解双先驱体、全/部分水解双先驱体和部分水解双先驱体等三类采用双硅氧烷先驱体制备气凝胶材料的研究现状, 分析了这三类气凝胶所呈现出的组织结构特征及其在力学、热学、光学和疏水性等方面的性能特点。通过对硅氧烷先驱体类型的选择和组合, 可以设计气凝胶材料的组织结构与性能, 为改善气凝胶材料的力学行为提出了新思路。     

耐高温氧化铝气凝胶隔热复合材料研究进展

氧化铝气凝胶是一种高孔隙率、低密度、高比表面积、耐高温和低热导的纳米多孔材料, 在高温隔热领域(如航天飞行器热防护系统、工业窑炉保温材料等)具有广阔的应用前景。但是, 纯氧化铝气凝胶因耐温性(1000 ℃以上)、力学性能和高温隔热性能相对较差难以直接应用, 需要引入增强相和遮光组分制备成气凝胶复合材料以进行改善。本文对耐高温氧化铝气凝胶的制备、氧化铝气凝胶隔热复合材料的制备及性能等方面的最新研究进展进行了综述。研究人员通过原位掺杂改性、沉积改性、有机链和炭涂层改性等方法提高了氧化铝气凝胶的热稳定性。在氧化铝气凝胶中引入晶须、颗粒、多孔骨架和纤维等增强相, 能够大幅提高其力学性能; 纤维和遮光剂的协同作用, 能够提高氧化铝气凝胶抑制红外辐射的能力, 显著降低高温热导率。本文还提出了后续的研究方向：对氧化铝气凝胶的密度、微观结构进行精细调控, 再引入合适的异质元素和遮光剂,以进一步提高气凝胶的热稳定性和复合材料的隔热性能;深入研究复合材料在高温下结构和性能的演化, 以及氧化铝气凝胶和增强相之间的相互作用。作为一种新型的隔热材料, 氧化铝气凝胶复合材料将在高温隔热领域发挥其优势并逐步实现广泛应用。     

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.     

基于纳米材料的气凝胶制备及应用

气凝胶是一种三维多孔材料,具有孔隙率高、比表面积大、密度低等特性。以纳米材料构筑气凝胶可进一步调控孔隙结构、改善机械强度,同时还能赋予气凝胶高导电性、低热导率、高吸附性和隔音吸声等特性,在储能、保温隔热、吸附材料等领域有重要的应用。重点对近年以纳米颗粒、纳米纤维素、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯等不同形态纳米材料构筑的气凝胶的制备、结构、性能和应用进行了综述,同时展望了气凝胶的发展前景与方向。     

弹性气凝胶的制备及其力学、热学性能研究

以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)为硅源、水为溶剂、醋酸和氨水作为酸碱催化剂, 采用酸碱两步法和酒精超临界干燥制备了透明块体气凝胶。用扫描电镜、比表面积与孔径分析仪、动态力学分析仪和hotdisk热分析仪等表征了气凝胶的微观形貌、孔结构、力学、热学等性能。制备的气凝胶具有很好的弹性性能, 压缩60%后可回复到原长的78%, 经热处理后反弹到原长的94%。气凝胶同时具有较好的保温隔热性能, 常温热导率仅为0.028 W/(m?K)。其接触角达154°, 表现出较好的疏水性能。气凝胶的耐热温度为440℃, 高于此温度将导致甲基氧化分解。气凝胶优良的保温隔热性能和力学性能使其在保温隔热领域中具有广泛的应用前景。     

Tailoring mechanical properties of aerogels for aerospace applications

Silica aerogels are highly porous solid materials consisting of three-dimensional networks of silica particles and are typically obtained by removing the liquid in silica gels under supercritical conditions. Several unique attributes such as extremely low thermal conductivity and low density make silica aerogels excellent candidates in the quest for thermal insulation materials used in space missions. However, native silica aerogels are fragile at relatively low stresses. More durable aerogels with higher strength and stiffness are obtained by proper selection of silane precursors and by reinforcement with polymers. This paper first presents a brief review of the literature on methods of silica aerogel reinforcement and then discusses our recent activities in improving not only the strength but also the elastic response of polymer-reinforced silica aerogels. Several alkyl-linked bis-silanes were used in promoting flexibility of the silica networks in conjunction with polymer reinforcement by epoxy.     

Elastic Aerogels of Cellulose Nanofibers@Metal–Organic Frameworks for Thermal Insulation and Fire Retardancy

Metal–organic frameworks(MOFs)with high microporosity and relatively high thermal stability are potential thermal insulation and flame-retardant materials.However,the difficulties in processing and shaping MOFs have largely hampered their applications in these areas.This study outlines the fabrication of hybrid CNF@MOF aerogels by a stepwise assembly approach involving the coating and cross-linking of cellulose nanofibers(CNFs)with continuous nanolayers of MOFs.The cross-linking gives the aerogels high mechanical strength but superelasticity(80%maximum recoverable strain,high specific compression modulus of^200 MPa cm3 g−1,and specific stress of^100 MPa cm3 g−1).The resultant lightweight aerogels have a cellular network structure and hierarchical porosity,which render the aerogels with relatively low thermal conductivity of^40 mW m−1 K−1.The hydrophobic,thermally stable MOF nanolayers wrapped around the CNFs result in good moisture resistance and fire retardancy.This study demonstrates that MOFs can be used as efficient thermal insulation and flame-retardant materials.It presents a pathway for the design of thermally insulating,superelastic fire-retardant nanocomposites based on MOFs and nanocellulose.     

海藻酸盐基纳米复合气凝胶的制备与性能研究

以海藻酸铵(ALG)、纳米氢氧化铝(ATH)和纳米蒙脱土(MMT)为原料,采用溶液共混法和真空冷冻干燥法制备了海藻酸盐基纳米复合气凝胶。采用扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪、电子万能实验机、X射线衍射仪、热重分析仪对气凝胶进行了形貌、结构表征,并分析了其力学性能和热稳定性能。结果表明:采用ALG和MMT制备的气凝胶具有典型的三维骨架网络结构,交联反应不影响气凝胶的形貌;气凝胶具有较低的密度和较好的力学性能,密度低至0.12 g/cm³,压缩模量最高可达9.48 MPa;Ca²⁺交联和MMT的加入显著提高了气凝胶的热稳定性,A5MMT5Ca气凝胶的耐热温度高达205℃。     

Preparation and Characterization of Silica Aerogels Derived from Ambient Pressure

Silica aerogels were prepared by sol-gel technique from industrial silicon derivatives (polyethoxydisiloxanes, E-40), followed by silylation and drying under ambient pressure. The specific surface area, pore size distribution and thermal conductivity of the silica aerogels were investigated and the results showed that the diameter of the silica particles is about 6 nm and the average pore size of the silica aerogels is 14.7 nm. The specific surface area of which is about 1000 m2·g-1 and the thermal conductivity is about 0.014 wm-1·K-1 at room temperature and pressure of 1.01×105 Pa. The Si-CH3 groups were also detected on the internal surface of the silica aerogels, which show hydrophobic. Silica aerogels derived by this technique is low cost and have wide applications.     

莫来石纤维增强SiO2气凝胶复合材料的制备及性能研究

以正硅酸乙酯为硅源,采用溶胶-凝胶及超临界干燥技术制备了掺杂莫来石纤维的SiO2气凝胶复合材料,并对材料的热学性能和力学性能进行了测试,结果表明:SiO2气凝胶复合材料的热导率与其密度、温度和纤维添加量有关;添加莫来石纤维可以明显提高SiO2气凝胶的弹性模量和机械强度,改善材料的力学性能;莫来石纤维添加量控制在3%左右可以使SiO2气凝胶材料保持较低的热导率和较高的机械强度.