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一文了解耐高温气凝胶隔热材料
2018年09月28日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:469
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气凝胶是一种优质的高效隔热材料,具有极高的孔隙率,能够有效降低材料的固相热传导,其孔径主要分布在介孔范围内(2-50nm),有效抑制了气相传热。气凝胶材料根据组分的不同,主要可分为氧化物气凝胶材料、炭气凝胶材料(耐高温性可达3000℃)和碳化物气凝胶材料。下面小编介绍以上三种耐高温气凝胶隔热材料。

 

一、气凝胶材料概述

气凝胶材料具备的高孔隙率以及纳米网络骨架相互连接所形成的介孔结构,决定了其具备极好的隔热性能,在高温催化剂载体、高温窑炉以及超高声速飞行器等军用和民用领域作为高效隔热材料使用。气凝胶材料具有隔热性、隔音性、非线性光学特性、过滤和催化特性等。

 

1、隔热特性

气凝胶材料的孔隙率达90%以上,同时气凝胶中的孔尺寸处于2-50nm的介孔范围内,这种特殊结构决定了其具备极佳的隔热特性,同时气凝胶材料在高温下又能保持其网络结构的完整性,不易发生高温烧结。

 

Al2O3耐高温性气凝胶材料

 

2、隔音性

硅气凝胶的低声速特性,使其成为一种理想的声学延迟或高温隔音材料。该材料的声阻抗可变范围较大(103-107kg/m2·s),是一种较理想的超声探测器的声阻耦合材料。

 

3、非线性光学特性

硅气凝胶具有纳米网络量子点结构,利用化学气相渗透法掺Si及C60后,可以观察到很强的可见光发射,进一步利用硅气凝胶的结构以及C60的非线性光学效应,可进一步研制新型激光防护镜。

 

4、过滤与催化性质

纳米结构的气凝胶可作为新型气体过滤,与其它材料不同的是该材料孔洞大小分布均匀,气孔率高,是一种高效气体过滤材料。由于该材料特别大的比表而积。气凝胶在作为新型催化剂或催化剂的载体方面亦有广阔的应用前景。

 

二、耐高温气凝胶隔热材料

气凝胶材料根据组分的不同,主要可分为氧化物气凝胶材料、炭气凝胶材料(耐高温性可达3000℃)和碳化物气凝胶材料。

 

名称

特点

应用

工业生产情况

氧化物气凝胶材料

SiO2

气凝胶材料

具有孔隙率高、比表面积大、热导率低等特点

主要应用于航空航天、军事、电子、建筑、家电和工业管道等领域的保温隔热。

SiO2气凝胶是目前隔热领域研究最多也是较为成熟的一种耐高温气凝胶

ZrO2

气凝胶材料

孔隙率极高,固体所占的体积比很低,使气凝胶的热导率很低

高温隔热保温材料方面具有极大的应用潜力

目前关于ZrO2气凝胶应用于隔热领域的报道还比较少,研究者主要致力于ZrO2气凝胶制备工艺的研究。

Al2O3

气凝胶材料

具有纳米多孔结构、使其具有更轻质量、更小体积达到等效的隔热效果,同时具有高孔隙率、高比表面积和开放的织态结构

用作高压绝缘材料,高速或超速集成电路的衬底材料,真空电极的隔离介质以及超级电容器。

氧化铝气凝胶材料制备方法主要有铝醇盐法和无机铝盐法两种。

炭气凝胶材料

在惰性及真空氛围下高达2000℃的耐温性,石墨化后耐温性能甚至能达到3000℃

主要应用于高温隔热保温材料方面

有氧情况,炭气凝胶在350℃以上便发生氧化,成为其制备和应用难点

碳化物气凝胶材料

具备极好的抗氧化性能

 

国内外对于碳化物气凝胶的研究还相对较少,特别是对于成形性良好的块状碳化物气凝胶的研究尚处于初始阶段。

 

1、氧化物气凝胶材料

氧化物气凝胶材料在高温区(>1000℃)容易发生晶型转变及颗粒的烧结,其耐温性相对较差,但是其在中高温区(<1000℃)具备较低的热导率。

氧化物气凝胶材料主要有SiO2Al2O3TiO2ZrO2CuO等。

 

1)SiO2气凝胶材料

SiO2气凝胶是目前隔热领域研究最多也是较为成熟的一种耐高温气凝胶,其孔隙率高达80%~99.8%,孔洞的典型尺寸为1~100nm,比表面积为200~1000m2/g,而密度可低达3kg/m3,室温热导率可低达12m.W/(m·K)。

 

SiO2气凝胶材料

 

SiO2气凝胶材料通常是将与红外遮光剂以及增强体进行复合,以提高SiO2气凝胶的隔热和力学性能,使其既具有实用价值的纳米孔超级绝热材料应,同时还兼有良好的隔热和力学性能,主要应用于航空航天、军事、电子、建筑、家电和工业管道等领域的保温隔热。

 

常用的红外遮光剂有碳化硅、TiO2(金红石型和锐钛型)、炭黑、六钛酸钾等;常用的增强材料有陶瓷纤维、无碱超细玻璃纤维、多晶莫来石纤维、硅酸铝纤维、氧化锆纤维等。

 

2)ZrO2气凝胶材料

ZrO2气凝胶材料的孔径小于空气分子的平均自由程,在气凝胶中没有空气对流,孔隙率极高,固体所占的体积比很低,使气凝胶的热导率很低。与SiO2气凝胶材料相比,ZrO2气凝胶的高温热导率更低,更适宜于高温段的隔热应用,在作为高温隔热保温材料方面具有极大的应用潜力。目前关于ZrO2气凝胶应用于隔热领域的报道还比较少,研究者主要致力于ZrO2气凝胶制备工艺的研究。

 

ZrO2气凝胶主要制备方法是由锆盐前驱体通过一系列的水解缩聚过程得到的。其制备主要包括两部分:湿凝胶的制备及干燥。一般采用超临界干燥和冷冻干燥,常用的湿凝胶制备方法有锆醇盐水解法、沉淀法、醇-水溶液加热法、滴加环氧丙烷法和无机分散溶胶-凝胶法。以价格低廉的无机锆盐为前驱体制备ZrO2气凝胶和如何使提高氧化锆气凝胶的高温热稳定性是研究者的研究热点之一。

 

3)Al2O3气凝胶材料

Al2O3气凝胶材料

 

氧化铝气凝胶材料具有纳米多孔结构、使其具有更轻质量、更小体积达到等效的隔热效果,同时具有高孔隙率、高比表面积和开放的织态结构,在催化剂和催化载体方面具有潜在的应用价值。氧化铝气凝胶还可用作高压绝缘材料,高速或超速集成电路的衬底材料,真空电极的隔离介质以及超级电容器。

 

2、炭气凝胶材料

炭气凝胶最大的特点就是其在惰性及真空氛围下高达2000℃的耐温性,石墨化后耐温性能甚至能达到3000℃,而且炭气凝胶中的炭纳米颗粒本身就具备对红外辐射极好的吸收性能,从而产生类似于红外遮光剂的效果,因此其高温热导率较低。但是在有氧条件下,炭气凝胶在350℃以上便发生氧化,这使得其在高温隔热领域的应用受到了极大地限制。随着SiC、MoSi2HfSi2TaSi2等高抗氧化性涂层的发展,在炭气凝胶材料表面涂覆致密的抗氧化性涂层,阻止氧气的进一步扩散,将使该材料具备极大的应用前景。

 

3、碳化物气凝胶材料

碳化物材料具备极好的抗氧化性能,但是其本身的热导率较高,将其制成含有三维立体网络状结构的气凝胶,可以极大地降低材料的热导率,进一步提高材料的隔热性能。但是国内外对于碳化物气凝胶的研究还相对较少,特别是对于成形性良好的块状碳化物气凝胶的研究尚处于初始阶段,对于其作为高效隔热材料的研究也较为匮乏,仅限于对该材料的制备与表征。

 

4、多组分气凝胶材料

多组分气凝胶材料主要有SiO2/Al2O3TiO2/SiO2C/SiC、C/SiO2Si-C-O、Al-C-O等。

 

氧化石墨烯-氧化铝复合气凝胶SEM图片

 

三、耐高温气凝胶隔热材料应用

1、航空航天领域

纳米孔气凝胶超级绝热材料可以用更轻的质量、更小的体积达到等效的隔热效果。这一特点使其在航空、航天应用领域具有举足轻重的优势。用作航空发动机的隔热材料,既起到了极好的隔热作用,又减轻了发动机的重量。

 

纳米孔气凝胶超级绝热材料应用于航空航天领域

 

2、工业及建筑绝热领域

耐高温气凝胶隔热材料在工业及民用领域有着广泛和极具潜力的应用价值。首先,在电力、石化、化工、冶金、建材行业以及其他工业领域,热工设备普遍存在。工业节能中,纳米孔超级绝热材料也起着非常重要的作用,其中有些特殊的部位和环境,由于受重量、体积或空间的限制,急需高效的超级绝热材料。

 

耐高温气凝胶隔热材料应用于管道铺设

 

3、储氢材料

炭气凝胶具有高比表面积、低密度、连续的网络结构且孔洞尺寸很小又与外界相通,具有优良的吸、放氢性能。据了解,美国能源部专门设立了机构,研究掺杂金属的炭气凝胶贮氢,并给予财政资助。

 

炭气凝胶应用于储氢材料

 

4、热电池领域

耐高温气凝胶隔热材料应用于电池隔热材料,可延长热电池的工作寿命,防止生成的热影响热电池周围的元器件。

 

耐高温气凝胶隔热材料应用于电池隔热材料

 

作者:李波涛

 

参考文献:

1. 李俊宁,胡子君,孙陈诚,一种炭泡沫原位增强炭气凝胶高

温隔热材料及其制备方法。

2. 伊希斌,王修春,张晶等,自生纳米纤维增强SiO2气凝胶的制备及性能研究。


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