目前氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料制備工藝較為復(fù)雜,高溫?zé)釋?dǎo)率偏高,最高使用溫度不超過(guò)1300℃。本文通過(guò)簡(jiǎn)化的工藝,制備出了一種使用溫度可達(dá)1500℃的高強(qiáng)韌低熱導(dǎo)氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料,是耐高溫氣凝膠隔熱材料研究領(lǐng)域的重大突破。

氧化鋁-氧化硅氣凝膠的低密度、耐高溫、低熱導(dǎo)特性使其在高溫隔熱保溫領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,阻礙其發(fā)展和應(yīng)用的主要瓶頸在于脆性大、高溫?zé)釋?dǎo)率較高、制備工藝復(fù)雜。2008年以來(lái),研究人員以陶瓷纖維(石英纖維、莫來(lái)石纖維、氧化鋯纖維等)或硼酸鋁晶須與氧化鋁-氧化硅氣凝膠進(jìn)行復(fù)合,顯著提高了氣凝膠的力學(xué)性能和高溫隔熱性能。然而,目前報(bào)導(dǎo)的氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料制備過(guò)程包括溶劑置換、凝膠改性、纖維清洗或多孔骨架制備等諸多步驟,

https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/13052038669/1000

制備工藝仍較為復(fù)雜;同時(shí),材料高溫?zé)釋?dǎo)率仍然偏高,且最高使用溫度不超過(guò)1300℃。

為此,國(guó)防科技大學(xué)馮堅(jiān)團(tuán)隊(duì)

提出了一種簡(jiǎn)便的溶膠-浸漬-凝膠(SIG)和超臨界干燥(SCFD)策略,開(kāi)發(fā)出新型耐1500℃高強(qiáng)韌低熱導(dǎo)氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料。

相關(guān)論文以題為“Thermallyinsulating,fiber-reinforcedalumina–silicaaerogelcompositeswithultra-lowshrinkageupto1500°C”發(fā)表在ChemicalEngineeringJournal上,論文第一作者為彭飛博士,姜勇剛副研究員和馮堅(jiān)研究員為論文的共同通訊作者。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128402?

該團(tuán)隊(duì)以氧化鋁–氧化硅溶膠直接浸漬莫來(lái)石纖維形成凝膠/纖維復(fù)合體,然后經(jīng)超臨界干燥和熱處理獲得了耐1500℃高強(qiáng)韌低熱導(dǎo)氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱材料

制備過(guò)程摒棄了溶劑置換、凝膠改性等傳統(tǒng)步驟,工藝過(guò)程大為簡(jiǎn)化(圖 1)。

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圖1氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料制備工藝流程

氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫、高強(qiáng)韌特性。在空氣氣氛下,采用纖維密度為0.20-0.35g/cm3制備的復(fù)合材料經(jīng)1200~1500℃熱處理2h后,均未發(fā)生變形和開(kāi)裂現(xiàn)象,且1500℃熱處理后材料厚度收縮率最低可達(dá)0.9%(圖2);低密度(經(jīng)重量為1.28噸的汽車碾壓后,仍保持完好(圖 3)。

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圖2氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料的耐溫性能:經(jīng)高溫處理(2h)后的外觀:(a)1200℃、(b) 1300℃、(c) 1400℃和(d) 1500℃(纖維密度分別為0.15、0.20、0.25、0.30、0.35g/cm3);高溫處理后材料厚度收縮率隨(e)纖維密度和(f)處理溫度的變化

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圖3氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料的力學(xué)性能:(a)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線、(b)彎曲應(yīng)力-位移曲線、(c)拉伸應(yīng)力-位移曲線;經(jīng)(d)壓縮、(e)彎曲和(f)拉伸強(qiáng)度測(cè)試前、后的外觀;(g)壓縮、彎曲和拉伸強(qiáng)度隨纖維密度的變化;(h)汽車碾壓試驗(yàn)

進(jìn)一步的室溫和高溫?zé)釋?dǎo)率測(cè)試結(jié)果表明(圖4),氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料在室溫~1200℃時(shí)的熱導(dǎo)率顯著低于同類材料,1200℃時(shí)最低達(dá)到0.082W/(m·K),比同類材料最低值還優(yōu)25%。這是因?yàn)榻榭捉Y(jié)構(gòu)的氧化鋁–氧化硅氣凝膠能夠有效抑制氣態(tài)熱傳導(dǎo),莫來(lái)石纖維能夠顯著遮擋高溫紅外輻射,兩者的協(xié)同作用賦予材料極低的熱導(dǎo)率。

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圖4氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率:(a)常溫?zé)釋?dǎo)率隨纖維密度的變化;(b)常溫?zé)釋?dǎo)率隨空氣壓力的變化;高溫?zé)釋?dǎo)率隨(c)溫度和(d)纖維密度的變化;(e)復(fù)合材料的傳熱機(jī)制;(f)復(fù)合材料熱導(dǎo)率與同類材料的對(duì)比

氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的高溫隔熱性能,經(jīng)1500℃單面加熱15min后,外觀和尺寸幾乎無(wú)變化,材料中的氣凝膠仍然保持介孔結(jié)構(gòu)和片葉狀形貌,化學(xué)組成亦變化很?。缓穸葹?8mm的材料熱面和冷面溫度差高達(dá)1120℃(圖5)。該材料適用于1500℃有氧環(huán)境下高溫隔熱保溫領(lǐng)域應(yīng)用。

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圖5 石英燈單面加熱試驗(yàn):加熱后材料的(a)宏觀形貌和材料(b)冷面、(c)熱面位置的微觀形貌;材料冷面、熱面位置的(d)X射線衍射圖譜和(e)紅外吸收光譜;(f)熱面溫度和冷面溫升曲線(冷面的實(shí)時(shí)溫度和初始溫度的差值)

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