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一文了解耐高溫氣凝膠隔熱材料

2018-10-19 11:24:51 作者：本網(wǎng)整理來源：材料十分享至：

氣凝膠是一種優(yōu)質(zhì)的高效隔熱材料，具有極高的孔隙率，能夠有效降低材料的固相熱傳導，其孔徑主要分布在介孔范圍內(nèi)（2-50nm），有效抑制了氣相傳熱。氣凝膠材料根據(jù)組分的不同，主要可分為氧化物氣凝膠材料、炭氣凝膠材料（耐高溫性可達3000℃）和碳化物氣凝膠材料。下面小編介紹以上三種耐高溫氣凝膠隔熱材料。

一、氣凝膠材料概述

氣凝膠材料具備的高孔隙率以及納米網(wǎng)絡骨架相互連接所形成的介孔結構，決定了其具備極好的隔熱性能，在高溫催化劑載體、高溫窯爐以及超高聲速飛行器等軍用和民用領域作為高效隔熱材料使用。氣凝膠材料具有隔熱性、隔音性、非線性光學特性、過濾和催化特性等。

1隔熱特性

氣凝膠材料的孔隙率達90%以上，同時氣凝膠中的孔尺寸處于2-50nm的介孔范圍內(nèi)，這種特殊結構決定了其具備極佳的隔熱特性，同時氣凝膠材料在高溫下又能保持其網(wǎng)絡結構的完整性，不易發(fā)生高溫燒結。

Al2O3耐高溫性氣凝膠材料

2隔音性

硅氣凝膠的低聲速特性，使其成為一種理想的聲學延遲或高溫隔音材料。該材料的聲阻抗可變范圍較大（103-107kg/m2·s），是一種較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料。

3非線性光學特性

硅氣凝膠具有納米網(wǎng)絡量子點結構，利用化學氣相滲透法摻Si及C60后，可以觀察到很強的可見光發(fā)射，進一步利用硅氣凝膠的結構以及C60的非線性光學效應，可進一步研制新型激光防護鏡。

4過濾與催化性質(zhì)

納米結構的氣凝膠可作為新型氣體過濾，與其它材料不同的是該材料孔洞大小分布均勻，氣孔率高，是一種高效氣體過濾材料。由于該材料特別大的比表而積，氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方面亦有廣闊的應用前景。

二、耐高溫氣凝膠隔熱材料

氣凝膠材料根據(jù)組分的不同，主要可分為氧化物氣凝膠材料、炭氣凝膠材料（耐高溫性可達3000℃）和碳化物氣凝膠材料。

1氧化物氣凝膠材料

氧化物氣凝膠材料在高溫區(qū)（＞1000℃）容易發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變及顆粒的燒結，其耐溫性相對較差，但是其在中高溫區(qū)（＜1000℃）具備較低的熱導率。

氧化物氣凝膠材料主要有SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2、CuO等。

（1）SiO2氣凝膠材料

SiO2氣凝膠是目前隔熱領域研究最多也是較為成熟的一種耐高溫氣凝膠，其孔隙率高達80%~99.8%，孔洞的典型尺寸為1~100nm，比表面積為200~1000m2/g，而密度可低達3kg/m3，室溫熱導率可低達12m.W/（m·K）。

SiO2氣凝膠材料SiO2氣凝膠材料通常是將與紅外遮光劑以及增強體進行復合，以提高SiO2氣凝膠的隔熱和力學性能，使其既具有實用價值的納米孔超級絕熱材料，同時還兼有良好的隔熱和力學性能，主要應用于航空航天、軍事、電子、建筑、家電和工業(yè)管道等領域的保溫隔熱。

常用的紅外遮光劑有碳化硅、TiO2（金紅石型和銳鈦型）、炭黑、六鈦酸鉀等；常用的增強材料有陶瓷纖維、無堿超細玻璃纖維、多晶莫來石纖維、硅酸鋁纖維、氧化鋯纖維等。

（2）ZrO2氣凝膠材料

ZrO2氣凝膠材料的孔徑小于空氣分子的平均自由程，在氣凝膠中沒有空氣對流，孔隙率極高，固體所占的體積比很低，使氣凝膠的熱導率很低。與SiO2氣凝膠材料相比，ZrO2氣凝膠的高溫熱導率更低，更適宜于高溫段的隔熱應用，在作為高溫隔熱保溫材料方面具有極大的應用潛力。目前關于ZrO2氣凝膠應用于隔熱領域的報道還比較少，研究者主要致力于ZrO2氣凝膠制備工藝的研究。

ZrO2氣凝膠主要制備方法是由鋯鹽前驅(qū)體通過一系列的水解縮聚過程得到的。其制備主要包括兩部分：濕凝膠的制備及干燥。一般采用超臨界干燥和冷凍干燥，常用的濕凝膠制備方法有鋯醇鹽水解法、沉淀法、醇-水溶液加熱法、滴加環(huán)氧丙烷法和無機分散溶膠-凝膠法。以價格低廉的無機鋯鹽為前驅(qū)體制備ZrO2氣凝膠和如何使提高氧化鋯氣凝膠的高溫熱穩(wěn)定性是研究者的研究熱點之一。

（3）Al2O3氣凝膠材料

Al2O3氣凝膠材料

氧化鋁氣凝膠材料具有納米多孔結構、使其具有更輕質(zhì)量、更小體積達到等效的隔熱效果，同時具有高孔隙率、高比表面積和開放的織態(tài)結構，在催化劑和催化載體方面具有潛在的應用價值。氧化鋁氣凝膠還可用作高壓絕緣材料，高速或超速集成電路的襯底材料，真空電極的隔離介質(zhì)以及超級電容器。

2炭氣凝膠材料

炭氣凝膠最大的特點就是其在惰性及真空氛圍下高達2000℃的耐溫性，石墨化后耐溫性能甚至能達到3000℃，而且炭氣凝膠中的炭納米顆粒本身就具備對紅外輻射極好的吸收性能，從而產(chǎn)生類似于紅外遮光劑的效果，因此其高溫熱導率較低。但是在有氧條件下，炭氣凝膠在350℃以上便發(fā)生氧化，這使得其在高溫隔熱領域的應用受到了極大地限制。隨著SiC、MoSi2、HfSi2、TaSi2等高抗氧化性涂層的發(fā)展，在炭氣凝膠材料表面涂覆致密的抗氧化性涂層，阻止氧氣的進一步擴散，將使該材料具備極大的應用前景。

3碳化物氣凝膠材料

碳化物材料具備極好的抗氧化性能，但是其本身的熱導率較高，將其制成含有三維立體網(wǎng)絡狀結構的氣凝膠，可以極大地降低材料的熱導率，進一步提高材料的隔熱性能。但是國內(nèi)外對于碳化物氣凝膠的研究還相對較少，特別是對于成形性良好的塊狀碳化物氣凝膠的研究尚處于初始階段，對于其作為高效隔熱材料的研究也較為匱乏，僅限于對該材料的制備與表征。

4多組分氣凝膠材料

多組分氣凝膠材料主要有SiO2/Al2O3、TiO2/SiO2、C/SiC、C/SiO2、Si-C-O、Al-C-O等。

氧化石墨烯-氧化鋁復合氣凝膠SEM圖片

三、耐高溫氣凝膠隔熱材料應用

1航空航天領域

納米孔氣凝膠超級絕熱材料可以用更輕的質(zhì)量、更小的體積達到等效的隔熱效果。這一特點使其在航空、航天應用領域具有舉足輕重的優(yōu)勢。用作航空發(fā)動機的隔熱材料，既起到了極好的隔熱作用，又減輕了發(fā)動機的重量。

納米孔氣凝膠超級絕熱材料應用于航空航天領域

2工業(yè)及建筑絕熱領域

耐高溫氣凝膠隔熱材料在工業(yè)及民用領域有著廣泛和極具潛力的應用價值。首先，在電力、石化、化工、冶金、建材行業(yè)以及其他工業(yè)領域，熱工設備普遍存在。工業(yè)節(jié)能中，納米孔超級絕熱材料也起著非常重要的作用，其中有些特殊的部位和環(huán)境，由于受重量、體積或空間的限制，急需高效的超級絕熱材料。