氣凝膠熱導(dǎo)率關(guān)鍵結(jié)構(gòu)辨識(shí)及其控制.pdf

1、作為一種典型的納米多孔材料，氣凝膠以其獨(dú)特的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的性質(zhì)，在航空航天隔熱領(lǐng)域和建筑節(jié)能保溫領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。在隔熱性能方面的卓越表現(xiàn)，使氣凝膠成為未來最具潛力的隔熱保溫材料之一。目前，氣凝膠的研究聚焦于新體系的開發(fā)和應(yīng)用與傳統(tǒng)體系性能及制備的優(yōu)化和規(guī)?；瘧?yīng)用。氣凝膠的隔熱性能與其孔結(jié)構(gòu)密不可分，而網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中存在大量的大孔結(jié)構(gòu)并未受到足夠關(guān)注。大孔含量的降低使氣凝膠的熱導(dǎo)率進(jìn)一步降低，隔熱性能進(jìn)一步提高。在充分認(rèn)識(shí)到氣凝膠材料

2、大孔結(jié)構(gòu)重要性的基礎(chǔ)上，本研究創(chuàng)造性地提出了通過降低氣凝膠結(jié)構(gòu)中的大孔含量可以提高其隔熱性能的研究思路，以及表征氣凝膠大孔結(jié)構(gòu)的方法。通過在氣凝膠結(jié)構(gòu)中添加納米材料或者對(duì)已形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)控制，探索降低氣凝膠結(jié)構(gòu)中的大孔含量與提高氣凝膠隔熱性能的規(guī)律性，以及提高隔熱性能的處理方法的可行性。本研究拓寬了氣凝膠結(jié)構(gòu)與隔熱性能的研究思路，對(duì)氣凝膠材料的研究以及開發(fā)應(yīng)用具有開拓性的意義。
　　本課題采用在溶膠-凝膠法制備氣凝膠的過程

3、中添加片狀納米材料氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)的方法，考察了不同添加量的GO對(duì)微觀孔結(jié)構(gòu)的影響，研究了大孔含量隨著GO添加量的變化情況，以及大孔含量變化對(duì)隔熱性能產(chǎn)生的影響。此外，考察了GO的引入對(duì)材料機(jī)械性能的作用。隨著GO添加量的增加，氣凝膠的大孔含量從63.05％下降到38.18％，密度從0.074g/cm3上升到0.189g/cm3。由于片狀GO引入將網(wǎng)絡(luò)空間分割成更多小的網(wǎng)絡(luò)空間，大孔含量降低，小于空氣平均

4、自由程的孔尺寸的結(jié)構(gòu)比例增加，氣凝膠結(jié)構(gòu)對(duì)氣相熱傳導(dǎo)的限制作用增強(qiáng)，氣凝膠的熱導(dǎo)率從0.0090W/(mK)降低到0.0075W/(mK)。氣凝膠的熱導(dǎo)率并沒有表現(xiàn)出隨著大孔含量降低而持續(xù)下降，是由于GO添加量增加使固相熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)提高。此外，GO的添加增強(qiáng)了氣凝膠的機(jī)械性能，壓縮模量從0.238MPa增加到0.394MPa。
　　為了增強(qiáng)界面相容性，避免尺寸差異造成界面相容問題而引入大孔，本文選擇與氣凝膠骨架顆粒尺寸相當(dāng)?shù)腁l2

5、O3納米團(tuán)簇作為添加劑。在氣凝膠網(wǎng)絡(luò)空間中引入納米尺寸團(tuán)簇后，密度從0.074g/cm3上升到0.304g/cm3，大孔含量從63.05％下降到23.12％。材料的熱導(dǎo)率相比于純氣凝膠的熱導(dǎo)率明顯下降，最低值達(dá)到0.0074W/(mK)。隨著添加量的增加，氣凝膠熱導(dǎo)率逐漸升高是由于固相熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)增強(qiáng)，但仍然低于純氣凝膠的熱導(dǎo)率(0.0090W/(mK))。這是由于Al2O3納米團(tuán)簇填補(bǔ)了網(wǎng)絡(luò)骨架中的大孔結(jié)構(gòu)，氣相傳遞熱量的受限制程度增

6、加，氣相熱傳導(dǎo)的下降抵消了部分升高的固相熱傳導(dǎo)。盡管密度急劇上升，添加0.1g Al2O3后的氣凝膠熱導(dǎo)率(0.0097W/(mK))比純氣凝膠的熱導(dǎo)率(0.0090W/(mK))升高并不明顯，這一點(diǎn)也說明了降低大孔含量對(duì)提高隔熱性能的重要性。此外，材料的密度增加有助于氣凝膠的機(jī)械性能的提升，這對(duì)于其在隔熱領(lǐng)域應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義。
　　本研究創(chuàng)新地提出了對(duì)已形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氣凝膠進(jìn)行水解液多次浸漬的方法。本文考察了不同浸漬次數(shù)對(duì)微觀孔

7、結(jié)構(gòu)的影響，通過在已形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中增加新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)密度，來降低氣凝膠中的大孔含量?？疾於啻谓n處理方法提高氣凝膠隔熱性能的可行性。浸漬處理改善了氣凝膠孔結(jié)構(gòu)，新生成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增加了網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)密度，填補(bǔ)了部分結(jié)構(gòu)中的孔，顯著降低了結(jié)構(gòu)中的大孔含量。隨著浸漬次數(shù)增加，大孔含量從63.05％下降到18.76％，材料密度逐漸升高(0.074g/cm3到0.218g/cm3)，氣凝膠熱導(dǎo)率并未隨之升高，反而呈降低趨勢(shì)。最低值為0.0

8、081W/(mK)。這說明了大孔含量降低，結(jié)構(gòu)中低于空氣平均自由程的孔尺寸的比例增多，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)氣相熱傳導(dǎo)的限制作用，使氣凝膠材料突破了僅僅通過低密度來獲得高隔熱性能的局限，對(duì)于氣凝膠的應(yīng)用具有推動(dòng)作用。
　　采用正硅酸乙酯為母液，對(duì)濕凝膠形成的結(jié)構(gòu)老化處理。通過在已形成的濕凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中增加有效固含量，考察不同比例母液老化處理對(duì)氣凝膠微觀形貌和孔結(jié)構(gòu)的影響。母液老化處理后，材料的大孔含量明顯下降，從63.05％下降到38.

9、00％。但這種大孔含量的下降主要源于孔結(jié)構(gòu)的不均勻性填埋，材料可測(cè)的孔體積（從4.25cm3/g到1.40cm3/g）和比表面積（837.4m2/g到313.6m2/g）明顯下降可以說明這一點(diǎn)。氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)的均勻性下降，使結(jié)構(gòu)對(duì)氣相熱傳導(dǎo)的限制并不明顯。同時(shí)，氣凝膠的密度明顯上升，從0.074g/cm3升高到最大0.33g/cm3，顯著增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的固相熱傳導(dǎo)。因此，材料的熱導(dǎo)率顯著升高，即從0.0090W/(mK)增加到0.068W/

10、(mK)。研究表明母液老化處理在降低大孔含量的同時(shí)也損失了大量孔結(jié)構(gòu)，顯著增加了密度，固相熱傳導(dǎo)貢獻(xiàn)明顯升高。在降低氣凝膠大孔含量改善隔熱性能的同時(shí)要兼顧密度帶來的影響。
　　通常，熱處理是一種用來考察材料熱穩(wěn)定性能的方法。本文創(chuàng)新地從調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，探究溫度處理引起的結(jié)構(gòu)變化對(duì)降低材料大孔含量，提高隔熱性能的影響作用。對(duì)氣凝膠已形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度處理，考察不同溫度處理?xiàng)l件對(duì)微觀孔結(jié)構(gòu)的影響，大孔含量變化對(duì)氣凝膠熱導(dǎo)率

11、的影響。不同溫度處理后，氣凝膠的密度從0.074g/cm3增加到0.176g/cm3。在燒結(jié)溫度(650℃)以下，對(duì)二氧化硅氣凝膠進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟忍幚碛欣诟纳破湮⒂^結(jié)構(gòu)，大孔結(jié)構(gòu)一定程度的收縮同時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的均勻性增強(qiáng)，保持著較高的孔體積，材料的大孔含量從63.05％下降到35.83％。材料的熱導(dǎo)率的從純氣凝膠的0.0090W/(mK)小幅下降到溫度處理后0.0080W/(mK)，并未隨著氣凝膠密度的增加而升高。在燒結(jié)溫度以上處理氣凝膠時(shí)