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。     

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。     

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。     

有机-无机复合气凝胶的制备及其阻燃性能研究进展

以有机高分子材料为基体,复合无机填料制备的气凝胶复合材料具有超轻、绝热、阻燃等优异特性,可广泛应用在建筑节能保温、电子工业、航空航天等领域。本文报道了有机-无机气凝胶复合材料的制备工艺过程和方法,对比了现有气凝胶材料制备方法的优缺点,并综述了当前研究热点的几种常见气凝胶复合材料:聚乙烯醇类、纤维素类、海藻酸盐类、果胶类有机相复合无机组份气凝胶材料的研究进展。总结了气凝胶复合材料的未来发展方向:亟需在气凝胶材料的机械性能优化方面做出改进,还需提高气凝胶复合材料耐水性能,研究无机填料对不同基体气凝胶阻燃等性能的影响规律,拓展生物质可降解高分子基气凝胶复合材料的种类,实现气凝胶材料的工业化应用。      

石英玻璃纤维/气凝胶复合材料的热导率计算及优化

纤维含量和直径是影响纤维/气凝胶复合材料热导率的重要参数。采用常压干燥工艺实验制备了石英玻璃纤维/SiO_2气凝胶复合材料,基于材料微观结构表征结果建立了纤维/气凝胶复合材料总体热导率的计算模型,研究了纤维含量和纤维直径对复合材料热导率的影响规律。通过二元优化(即同时优化纤维体积分数和直径)获得了复合材料的最小总体热导率,与单一优化纤维含量或纤维直径相比总体热导率可分别减少50%和20%(以1000K为例);并探讨了在不同温度条件下复合材料中最优纤维含量和纤维直径的变化规律,发现随温度升高最优纤维含量增大而最优纤维直径减小。研究结果可用于指导纤维/SiO_2气凝胶复合材料的结构设计和性能优化,促进气凝胶复合材料在航空航天、工业、建筑等领域的节能应用。     

快速制备纳米SiO_2粉末基隔热复合材料的研究进展及展望

纳米气凝胶隔热复合材料是一种隔热性能优异的纳米复合材料,广泛应用于航空宇航、石油化工、建筑保温隔热领域,但是较高的成本和复杂的超临界或常压干燥技术限制了其在隔热领域的应用。纳米SiO_2粉末基复合材料采用纳米SiO_2粉末为基体,陶瓷纤维作增强材料,加入粘接剂、表面活性剂等添加剂,通过干法或者湿法成型实现快速制备,制备过程不需要复杂的干燥技术,相比纳米气凝胶隔热材料具有更低的成本,是一种极具发展潜力的纳米隔热复合材料。然而,由于纳米SiO_2粉末基复合材料采用纳米SiO_2粉末为基体,导致材料力学性能明显低于纳米气凝胶隔热复合材料;添加增强纤维和粘接剂可以提高材料的力学性能,但是其隔热性能明显下降。因此,近年来研究者们主要从优化制备工艺方面不断尝试,在充分发挥纳米SiO_2粉末基复合材料低热导率优势的同时提高其力学性能。目前,纳米SiO_2粉末基隔热复合材料的快速制备方法主要包括干法成型工艺和湿法成型工艺两类。其中,干法模压成型工艺应用较早,工艺成熟,制备的SiO_2粉末基隔热复合材料具有较低的热导率,但成型压力较大,生产复杂形状产品的难度较大。湿法成型工艺主要有模压成型和浇筑成型两种方法,湿法模压成型相比干法模压成型具有更好的分散效果,但增加了工艺的复杂性;浇筑成型工艺简单,可成型复杂异性产品,为纳米SiO_2粉末基隔热复合材料的快速制备提供了更多选择。本文综述了纳米SiO_2粉末基隔热复合材料的快速制备方法及其研究进展,分别对干法成型工艺和湿法成型工艺进行介绍,分析了纳米SiO_2粉末基复合材料面临的问题,对其未来发展趋势进行了展望,以期为快速制备高性能、低成本的新型纳米SiO_2粉末基隔热复合材料提供参考。     

不同粒径SiO_2气凝胶/聚四氟乙烯复合材料的制备与表征

以不同粒径大小的二氧化硅气凝胶(100、150、200、300目)和聚四氟乙烯为原材料,采用酸碱催化溶胶-凝胶法制备出4组不同的二氧化硅(SiO_2)/聚四氟乙烯(PTFE)复合材料,以探究不同粒径气凝胶对复合材料结构和性能的影响。通过热重、密度、BET、极限氧指数测试以及X射线衍射等方法对复合材料进行结构和性能的表征。研究结果表明,制备的SiO_2/PTFE复合材料是一种中孔材料,其密度为1.3203～1.5673 g/cm~3,比表面积为60～112 m~2·g~(-1),吸附平均孔径小于50 nm。加入不同粒径大小的SiO_2气凝胶对复合材料的热稳定性影响效果几乎相同。随着加入的SiO_2气凝胶粒径的减小,BET比表面积与密度变化趋势均为先减小再增大,且变化率逐渐变小。加入不同粒径的SiO_2气凝胶后,复合材料的组成空间结构分布相同仅有晶粒大小差异。     

纳米SiO2气凝胶的制备及保温隔热性应用研究进展

从SiO_2气凝胶的隔热机理出发,归纳了降低其导热系数的有效途径,概述了在溶胶-凝胶过程中硅源的甄选原则及开发趋势,总结了当前常用湿凝胶干燥工艺的优缺点并提出改进方法,着重介绍了当前保温隔热领域SiO_2气凝胶复合材料的种类及应用现状,最后对SiO_2气凝胶材料的发展前景进行了展望。     

聚酰亚胺气凝胶及其薄型复合材料的制备和性能研究

航天器和尖端武器等领域对热导率低且柔性可弯曲的高性能隔热材料需求迫切。典型的二氧化硅基、氧化铝基和碳基等无机质气凝胶隔热材料因力学性能差、脆性大且不可弯曲等缺点无法满足狭窄空间及弯曲型面的隔热需求。相比无机气凝胶,聚酰亚胺(PI)气凝胶具有良好的力学性能和柔韧性能,同时具有低热导率特性,使其在柔性隔热材料方面具有广阔的应用前景。本工作采用溶胶-凝胶法,利用超临界干燥技术研制了聚酰亚胺气凝胶及其复合材料。研究表明：PI气凝胶的密度低至0.032 g/cm³,热稳定性能优异,热导率为0.025 8 W/(m·K);PI气凝胶薄型复合材料的热导率为0.023 0 W/(m·K),与无机气凝胶复合材料隔热性能相当,并表现出良好的柔性特点。本研究还首次报道了薄型柔性PI气凝胶复合材料。     

疏水SiO_2气凝胶的常压制备及其在棉织物上的应用研究

以甲基三甲氧基硅烷为前驱体,甲醇为溶剂,采用溶胶-凝胶法,常压干燥制备了块状疏水SiO_2气凝胶,并将SiO_2气凝胶与PDMS(聚二甲基硅氧烷)混合应用到棉织物上,制备了超疏水功能棉织物。探讨了不同条件对气凝胶凝胶时间、密度和孔隙率的影响,得出了最佳工艺。利用场发射扫描电镜、接触角测试等对气凝胶和整理棉织物的表面形貌和疏水性能进行了研究。结果表明,制备的块状SiO_2气凝胶与水的接触角为151.0°,达到超疏水效果,且具有三维网络连续多孔微结构;经PDMS/SiO_2气凝胶混合液整理棉织物的接触角达到155.4°,其表面覆载了大量的SiO_2气凝胶颗粒,通过PDMS低表面能特性与SiO_2气凝胶三维网络多孔微观粗糙结构的协同,并结合PDMS对气凝胶及纺织品之间的交联粘结作用,实现了超疏水效果。     

莫来石纤维增强SiO_2气凝胶复合材料的力学性能试验

为了探究莫来石纤维增强SiO_2气凝胶复合材料的拉伸和层间剪切性能,开展了相关试验。首先,进行了复合材料在室温下的面内拉伸试验,获得了复合材料的室温面内拉伸模量;然后,采用引伸计方法和数字图像相关法分别对拉伸变形进行测量,并对2种方法进行了对比分析;最后,开展了不同温度下的层间剪切试验,研究了复合材料在不同温度下的层间剪切性能,并对其微观结构进行了分析。结果表明:复合材料的拉伸模量约为285.17 MPa;由引伸计方法测得的拉伸变形计算出的拉伸模量比数字图像相关法获得的拉伸模量高2.4%;在室温和高温下,试样呈现明显的层间剪切破坏;对复合材料的微观分析发现,SiO_2气凝胶基体主要分布在层间区域,增强纤维主要分布在铺层内。所得结论表明莫来石纤维增强SiO_2气凝胶复合材料拉伸和层间性能较差,当承受层间载荷时,SiO_2气凝胶基体起主要作用,且温度对复合材料的性能影响较大。     

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。     

玻璃纤维复合气凝胶绝热毡质量分级的实施和探讨

玻璃纤维复合气凝胶绝热毡是一种新型纳米孔气凝胶复合绝热材料，相比传统绝热材料它具有密度低、孔隙多、绝热性能优良等特点，在航天、石化、汽车等行业领域具有广泛的应用前景。本文对气凝胶复合绝热毡国内外标准进行了比对，介绍了一种产品质量分级方法和气凝胶复合绝热毡质量分级标准，列举了国内主要生产企业的产品质量评价结果和性能比对情况，对于分析我国气凝胶产品质量现状，推广气凝胶绝热材料应用，推动绝热制品行业高质量发展具有一定的借鉴意义。     

SiO_2气凝胶毡在化工管道领域应用研究

SiO_2气凝胶毡,具有导热系数低、吸水率小、高防火和抗腐蚀等性能,通过管道保温材料结构研究,对其隔热、吸水、防火性能实验,研发出了性能优良、长周期安全使用的SiO_2气凝胶毡和管道保温结构。     

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。      

利用离子液体制备无机气凝胶的研究进展

气凝胶具有三维纳米多孔网络结构,独特的结构使它具有低密度、高比表面积和高孔隙率等性质以及低热导率、低介电常数和低声传播速率等性能,在隔热、介电、隔声、催化、吸附等领域具有广阔的应用前景。然而,溶剂-凝胶法作为目前制备气凝胶最成熟、应用最广的技术,需要使用大量的有机溶剂,严苛而危险的超临界干燥工艺进一步推高了成本,限制了气凝胶的大规模工业化生产和应用,因此,降低成本和在常压干燥条件下制备高比表面积的块状气凝胶是气凝胶产业急需解决的问题。离子液体被称为21世纪的绿色溶剂,具有低蒸气压、低表面张力、高催化性和高溶解性等特殊性质。离子液体与气凝胶材料的发展几乎同步,但直到2000年两种材料才产生交集。离子液体作为模板剂具有微观结构导向作用,使纳米孔结构均一化,其不挥发性和低表面张力保证了老化和常压干燥过程中纳米孔结构不会因毛细管力而坍塌破坏,另外其催化作用可以缩短凝胶时间。因此,离子液体为常压干燥合成气凝胶提供了新的工艺路线。目前,有关借助离子液体制备SiO_2气凝胶、TiO_2气凝胶、SiO_2-TiO_2复合气凝胶、炭气凝胶等无机气凝胶的探索均已展开,其中制备SiO_2气凝胶的研究最多,涉及工艺、微观结构、掺杂和应用等方面。通过常压干燥可获得比表面积高达677m2/g的块状气凝胶,通过选用不同的离子液体还可以控制纳米孔的微观形貌,所得SiO_2气凝胶产物在电化学、生物、吸附等领域有较高的应用潜力。利用离子液体替代有机溶剂可以使得到的TiO_2气凝胶不经煅烧即含有锐钛矿相,通过金属原子Ag、Fe、Ge等掺杂改性,可进一步提高锐钛矿相的结晶度,提升其光催化性能。利用离子液体制得的SiO_2-TiO_2复合气凝胶具有一定强度和良好的光催化活性。此外,除在传统的溶胶-凝胶法中用作模板剂或催化剂外,离子液体还可作为新型的炭源用于制备炭气凝胶,即通过熔盐法高温炭化裂解离子液体"自上而下"直接制备。这种方法可以制备杂原子在原子水平上均匀分布的功能化炭气凝胶,无需制备有机气凝胶前驱物,极大缩短制备周期,并且炭气凝胶产物的比表面积相对更高,得到了科研界的广泛关注。本文介绍了离子液体在气凝胶材料合成过程中的作用原理,归纳了借助离子液体制备前述几种重要的无机气凝胶的国际研究状况。     

低温SiO_(2)气凝胶基复合相变材料的制备与性能分析EI北大核心CSCD

以SiO_(2)气凝胶为支撑材料,通过物理吸附法制备定形SiO_(2)气凝胶基复合相变材料(PCCs),再利用密封盒进行二次封装。探究SiO_(2)气凝胶与相变材料的最佳配比,并对复合相变材料的微观结构、化学成分、孔结构、相变特性、热可靠性、定形能力和隔热性能进行表征。结果表明:含有质量分数为80%相变材料的SiO_(2)气凝胶复合相变材料(LS-80)具有最佳吸附比,并且在相变过程中显示了良好的定形能力,其熔点和熔融潜热分别为-15.6℃和170.2 J/g;同时SiO_(2)气凝胶的成功吸附使得LS-80的比表面积、孔径和孔容大小下降至59 m^(2)/g,13 nm和0.2 cm^(3)/g;20次冷热循环后,封装后相变材料的相变潜热减少了13.4%,而SL-80只减少了2.8%,表现出良好的热可靠性能;SiO_(2)气凝胶的添加使得复合相变材料导热系数降低,隔热能力增强。该结果为SiO_(2)气凝胶复合相变材料在冷链物流领域的应用提供了实验依据。     

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。     

球形介孔SiO_2/TiO_2复合材料的制备及光催化性能研究

研究了采用溶胶-凝胶法制备SiO_2/TiO_2复合材料,利用XRD、FT-IR、SEM及比表面分析法等对复合材料的形貌、晶型等进行了表征。结果表明:SiO_2/TiO_2为球形介孔材料且有Si—O—Ti键的形成;一定量的SiO_2掺杂和材料的介孔结构,大大提高了复合材料的比表面积;所制备SiO_2/TiO_2复合光催化剂对亚甲基蓝的光催化降解实验结果表明,SiO_2/TiO_2复合材料具有优异的吸附及光催化降解性能。     

气凝胶纳米材料的研究进展

气凝胶材料是一种具有低密度、高孔隙率、高比表面积、低折射率、低介电常数等特性的纳米多孔材料,在航空航天、石油化工、环境处理、建筑保温、能量储存与转化等领域具有广泛的应用价值。重点介绍了国内外二氧化硅基气凝胶和有机气凝胶的组成、结构、制备和性能方面所取得的突破性进展,其中二氧化硅基气凝胶主要从耐高温气凝胶、疏水气凝胶和低成本气凝胶3方面进行论述,有机气凝胶主要包括聚合物基有机气凝胶和生物质基有机气凝胶。综述了气凝胶材料在绝热和吸附领域的最新研究和应用,最后对气凝胶材料未来的发展方向进行了展望。