SiO2气凝胶常压干燥工艺与隔热应用进展

g。采用原位法制备疏水SiO：气凝胶的研究在国内

较少。

1．4降低毛细管力

干燥理论表明，在凝胶的常压干燥过程中，导致凝胶收缩的主要驱动力是毛细管力。而由Lap

lace公式可知，毛细管力的大小与网络基架中的液体的表面张力成正比。因此采用陈化和表面改性等措施来常压制备气凝胶时，都采用表面张力较低的溶剂来进行常压干燥，或者在溶剂中加入一些油溶性表面活性剂来降低表面张力旧’10—1|。

Rao等人¨2’3纠分别采用甲苯、正己烷、正庚烷和二甲苯等混合溶液作为凝胶干燥溶剂，研究了溶剂的表面张力对气凝胶结构的影响，结果表明以正己烷、正庚烷作为凝胶的干燥溶剂，可得到密度较低的气凝胶。以正庚烷和二甲苯的混合溶液作为凝胶干燥溶剂，经常压干燥制备的SiO：气凝胶其密度和孔隙率分别为51kg／m3和98．38％。1．5热处理

在适当的温度下对气凝胶进行热处理，会产生反

涨(s鲥ngback)现象。在热处理过程中，由于凝胶内

部气体的热膨胀和凝胶的低渗透率，气体难以从气凝胶中逃逸出来，因而气体压缩凝胶骨架，从而导致了凝胶的比表面积和孔体积增加。34|。可见，合适的热处理工艺可以减小气凝胶的收缩，进一步降低气凝胶的密度。

Kang

Shin—K)ru等人L341以rI．EOS为原料，乙醇为

溶剂，采用两步法(催化剂分别为HCI和氨水)经常压干燥和热处理工艺制备出了透明低密度气凝胶。并得到了最优的热处理工艺路线：以2℃／min加热到250℃并保持2h，然后以l℃／min加热到350℃并保持2h，然后缓慢降至室温，所得气凝胶的比表面积和孔体积可分别达1

050

m2／g和3．2

cm3／g。

2

Sio：气凝胶复合隔热材料及应用

气凝胶独特的网络结构及高孔隙率和低密度等

特点导致了气凝胶本身具有很大的脆性，并且在温度较高的环境中，半透明的气凝胶材料很难阻抗辐射热的影响，因此在很多领域中，气凝胶很难作为隔热材料单独使用，需要与其他材料复合才能达到实际的使用效果。

2．1纤维复合气凝胶隔热材料

http：／／www．yhclgy．com宇航材料工艺2010年第6期

国内外许多科学工作者利用不同的纤维材料来增强气凝胶材料的韧性。同济大学的王珏等∞副在硅气凝胶中加入玻璃纤维，大大增加了硅气凝胶的弹性模量，改善了其比较脆弱的力学性能；E．P．KeHy等L361在硅气凝胶中加入长1．27cm，直径分别为3．2—4斗m和8斗m的氧化硅、三氧化二铝和硼硅酸铝三种纤维，结果表明，纤维的加入能够在一定程度上抑制凝胶干燥时的收缩率，并且提高了样品的弹性模量；G．R．Cunnington等一刊在气凝胶中加入纤维增强体，并且从理论和实验两方面讨论了纤维复合气凝胶隔热材料的热辐射性质；R．Petricevic等人”引利用纤维掺人碳气凝胶中，以提高碳气凝胶制品的稳定性；梁庆宣等。39。创新性提出以水镁石纤维增强siO：气凝胶隔热材料，并获得具有较低热导率和较高强度的气凝胶复合材料。

2．2遮光剂复合气凝胶隔热材料

由于纯si0：气凝胶对波段为2—8¨m的红外线是几乎透过的，因而在高温状态下，在这一波段的热辐射能量将几乎全部通过气凝胶，导致SiO：气凝胶的热导率急剧上升，为了减小辐射热导率，就需要在气凝胶中复合可以吸收或散射红外光的遮光剂。

S．Q．zeng等瑚。常温下在siO：气凝胶中加人8％的炭黑，能够降低大约l／3的能量传递。但由于炭黑在高温下很容易氧化，只能在300℃以下使用；J．KuIlIl等。41。研究了TiO：、舢：O，、钛铁矿和Sic等不同颗粒复合siO：气凝胶的辐射热，发现适量TiO：和钛铁矿的加人可以在很大程度上提高气凝胶的消光系数，SiC和舢：O，对气凝胶辐射热导率的影响不大，但是纳米砧：O，的加入可以大大提高SiO：气凝胶的力学性能。Y．G．1“on等埋。在SiO：溶胶中添加TiO：粉末作为遮光剂，并采用非超临界干燥法制备了无裂纹的气凝胶隔热材料，试验表明其热导率在室温和400℃时分别为

0．013

6和0．024

8

W／(mK)。王珏等∞。通过在si02

气凝胶中添加TiO：粉末，使siO：气凝胶在800K空气中的热导率只有0．038W

／(mK)。2．3气凝胶复合隔热材料的应用

为了满足隔热需求，在实际应用中通常是气凝胶与增强体和遮光剂共同复合使用。气凝胶复合隔热材料由于具有超级隔热性能，在航空航天、建筑、石化等重要领域都广泛使用。

在民用领域中，瑞士和德国采用气凝胶设计的透明玻璃墙体，是一种能够有效积累太阳能热量并防止

热量散失的节能材料；美国Cabot公司与l㈨wall公

司共同开发的硅气凝胶夹芯板，透光率达到20％，热导率仅为0．05W／(mK)；美国Aspen公司将气凝胶与纤维等增强体复合已经制备出柔性气凝胶隔热毡，

一13—

并且应用于管道、飞机、汽车等保温体系中。

1997年，美国宇航局将气凝胶作为隔热材料被率先应用航天领域火星探测器中；2001年美国“旋翼飞行器的轻质隔热材料研究(L11R)”以及“气凝胶与航天器生存能力(ARIAS)”研究计划在AATD和J1’CG基金资助下开展了气凝胶的研究，并且制备了温度在350一1000℃性能优良的多孔纳米气凝胶。与传统绝热材料相比，质量更轻、体积更小、厚度更薄的纳米孑L超级绝热材料可以达到与之等效甚至更好的隔热效果。飞机上的黑匣子、高温燃料电池、英国“美洲豹”战斗机、美国NASA设计的航天飞机都已将这种材料用作隔热材料，在国内也已将此类材料用于高能粒子加速器的隔热。

美国国家宇航局(NASA)Ames研究中心还开发了陶瓷纤维一气凝胶复合防热瓦，复合后的航天飞机绝热瓦与原隔热瓦相比，热导率大幅度下降，强度大大提高，该防热瓦对航天器的隔热性能比现有防热瓦提高10一100倍。NASAAmes研究中心研究表明，这种新型气凝胶防热瓦可用于未来重复使用航天器和燃料箱隔热层中[43叫J。气凝胶能有效地透过太阳光，并阻止环境温度的红外辐射，因此是一种理想的绝热透明太阳能采暖材料。在美国发射的火星探测器上，气凝胶被用作保温材料，来保证火星表面机器人的电子仪器设备的保温。3结语

SiO：气凝胶是一种具有许多奇异性质和广泛应用的轻质纳米多孔性材料。SiO：气凝胶的密度、孔径结构及其比表面积是其结构性能好坏的主要评价标准，而简单、便于操作的制备工艺可确保siO：气凝胶的规模化生产。采用常压干燥代替超临界干燥工艺，一方面可大大降低整个工艺对设备的要求，安全性能大大提升，另一方面制备成本也大为下降，因此，研究常压干燥时如何提高其结构强度、减小溶剂蒸发时毛细管力的影响，得到具有低密度和高比表面积的SiO：气凝胶便具有非常重要的意义。同时，为了实现sio，气凝胶的商品化应用，解决气凝胶本身脆性大、高温环境中抗辐射性能低等问题，研究与增强体和遮光剂共同复合使用的siO：气凝胶复合材料，可满足航空航天、建筑、石化等重要领域对隔热材料的需求。

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