空間高速粒子捕獲用密度梯度氣凝膠的熱學與力學特性

杜 艾 周 斌 歸佳寅 劉光武 李宇農(nóng) 吳廣明 沈 軍 張志華

(同濟大學,上海市特殊人工微結構材料與技術重點實驗室,上海200092)

空間高速粒子捕獲用密度梯度氣凝膠的熱學與力學特性

杜 艾 周 斌*歸佳寅 劉光武 李宇農(nóng) 吳廣明 沈 軍 張志華

(同濟大學,上海市特殊人工微結構材料與技術重點實驗室,上海200092)

采用正硅酸四乙酯(TEOS)的乙醇-水溶液為前驅(qū)體,氫氟酸為催化劑,結合溶膠-凝膠過程與CO2超臨界流體干燥工藝,一步反應獲得了密度為40-175 mg·cm-3的單元氣凝膠.以上述工藝為基礎,通過逐層凝膠法、溶膠共凝法和梯度溶膠共凝膠法分別制備了三種密度梯度氣凝膠樣品,并研究了其功能梯度特性.結果表明:不同密度的氣凝膠均具有粒徑約為40-90 nm球形顆粒構成的三維骨架結構,密度越低,骨架越疏松,峰值孔徑越大,孔徑分布也更為分散;三種方法制備的樣品均具有明顯的密度梯度,梯度特性由不連續(xù)到連續(xù).動態(tài)熱機械性能測試表明,隨著密度的降低,氣凝膠在低溫(-100°C)和常溫(25°C)下楊氏模量均有減小的趨勢,其范圍分別約為4.6×105-1.9×105Pa和.熱學測試表明,隨著密度的降低,氣凝膠的熱擴散系數(shù)增高,單位體積熱容降低,而熱導率則不成單調(diào)變化.

梯度;氣凝膠;熱學;力學;熱導率;模量;低溫

1 引言

氣凝膠是一類具有多級分形結構的納米多孔功能材料.1,2由于兼?zhèn)浜暧^特性和納米效應,其表現(xiàn)出許多介于氣體和普通凝聚態(tài)物質(zhì)之間的獨特性能.3,4氣凝膠的成分范圍很廣,除了傳統(tǒng)的SiO2、Al2O3、ZrO2、MoO3、CuO、Ta2O5等氧化物氣凝膠外,5-9還有硫族化合物氣凝膠、有機氣凝膠、碳基氣凝膠(碳氣凝膠、碳納米管氣凝膠、石墨烯氣凝膠等)及碳化物氣凝膠和多種其它類別氣凝膠.10由于性能獨特,成分多樣,氣凝膠不僅僅被認為是一類材料,而更多被視為一類結構,有的學者甚至把它歸結為一種新的物質(zhì)凝聚狀態(tài),11在許多領域具有不可替代的作用.氣凝膠也特別適用于深空探索領域,超低的密度使其發(fā)射和回收成本大幅降低,優(yōu)良的耐溫(包括低溫和高溫)、耐沖擊、抗震和耐輻射性質(zhì)使其可以適應發(fā)射和使用過程中的復雜環(huán)境,而多項獨特的性能使其在多個方面高效發(fā)揮作用.單一密度氣凝膠已經(jīng)成功應用于火星探測車、長效熱電池與低溫流體容器的保溫隔熱裝置中,而梯度密度塊體氣凝膠材料則由于其復合的物理性質(zhì)(密度相關量)在空間高速粒子的捕獲裝置中有獨特的應用,并有望應用于高效隔熱和高分辨率宇宙射線檢測中.12

在成分和微結構相似的情況下,氣凝膠的特性與其密度直接相關.所以,實現(xiàn)梯度密度氣凝膠的設計與合成,便可人工調(diào)節(jié)其性能分布,大幅提高其應用效能.早在1992年,Gerlach等13采用梯度分布的溫度場對SiO2氣凝膠進行熱處理,利用氣凝膠在不同溫度下的致密化程度不同而產(chǎn)生不同的密度,首次合成出密度梯度氣凝膠.而氣凝膠的聲阻抗又是其密度的相關量,所以合成出來的氣凝膠也具備聲阻抗梯度.該方法合成出來的氣凝膠的密度連續(xù)分布,結構完整,但是其單位深度的密度差別小,內(nèi)應力大,并沒有引起廣泛關注.2006年,美國“星塵號”太空船(1999年發(fā)射)返航帶回彗星塵埃粒子,采用高透明、高純度梯度密度SiO2氣凝膠空間粒子捕集器,實現(xiàn)了速度為數(shù)km·s-1的彗星塵埃在氣凝膠內(nèi)的“軟著陸”,高速粒子從低密度(數(shù)十mg· cm-3)的一端進入氣凝膠,通過氣凝膠的三維納米網(wǎng)絡進行無損減速,并最終被捕獲在梯度氣凝膠較高密度(為低密度端的3-10倍)的部分.14低密度端的原子體密度低,與高速粒子發(fā)生碰撞的幾率以及碰撞相互作用力均較低,能夠降低氣凝膠和高速粒子的碰撞損傷,但是捕獲距離較長;而高密度端原子體密度高,與高速粒子發(fā)生碰撞的幾率以及碰撞相互作用力均較高,捕獲距離較短,但是易于產(chǎn)生嚴重的碰撞損傷,毀壞被捕獲體與捕獲媒質(zhì).密度梯度氣凝膠的設計則可以綜合兩種氣凝膠的優(yōu)點,實現(xiàn)高速粒子的無損捕獲.在梯度密度氣凝膠捕獲媒質(zhì)中可觀察彗星塵埃粒子的徑跡,研究粒子的速度、結構、成分、生命信息與分布等特征,進而揭示彗星演化、太陽系發(fā)展與地球生命起源的規(guī)律.15-17Science對其進行了專題報道,18梯度氣凝膠才成為人們關注的熱點.

隨著我國深空探索技術的發(fā)展,可用于空間高速粒子捕獲的密度梯度氣凝膠的研究亟待發(fā)展.本課題組19,20在之前的研究里解決了梯度氣凝膠的合成難題,然而,梯度氣凝膠的整體發(fā)展還遠未成熟.雖然其已經(jīng)成功應用于太空高速粒子捕獲,但是除了折射率(間接反映氣凝膠的密度)以外,其它微結構或性能梯度特性并未見報道.氣凝膠的特性與其微結構相關,捕獲粒子的能力與其壓縮模量相關,長效熱損傷與其熱擴散系數(shù)相關,所以對氣凝膠微結構、力學性能分布與熱學常數(shù)分布的研究非常重要.本文擬采用多種方法合成密度分布不同的梯度密度氣凝膠,采用X射線相襯成像技術直接觀察其密度分布與界面特性;通過制備不同密度的單元氣凝膠作為密度梯度氣凝膠相應密度段的備片,采用電子顯微鏡和孔徑分布儀分析其微觀結構和孔徑分布,動態(tài)熱機械性能分析儀表征其低溫和常溫下的壓縮模量,采用瞬變平面熱源法(TPS)測試其熱學常數(shù),推斷出梯度密度氣凝膠的性能梯度特性,并有望拓展梯度氣凝膠的應用范圍.

2 實驗

由于梯度氣凝膠難以實現(xiàn)對其不同位置進行多種性能的直接測試,所以本文擬采用相同合成過程、相同干燥工藝和相同密度范圍的單元氣凝膠備片來直接測試不同密度氣凝膠的力學和熱學特性,間接表征梯度氣凝膠不同密度部分的特性,進而推斷其力學和熱學特性分布.

2.1 單一密度氣凝膠的合成

單一密度氣凝膠是梯度密度氣凝膠的基礎.研究單一密度氣凝膠的溶膠凝膠過程和微結構可以實現(xiàn)對梯度密度氣凝膠密度和微結構分布的精確控制,測試單一密度氣凝膠的物理性質(zhì)則可以獲得梯度密度氣凝膠的物理性質(zhì)分布.本文采用正硅酸四乙酯(TEOS)的乙醇-水(EtOH-H2O)混合溶液為前驅(qū)體,氫氟酸為催化劑,結合CO2超臨界流體干燥工藝,合成單一密度氣凝膠.

首先,在室溫條件下,將TEOS和乙醇按一定的比例混合均勻,并逐滴加入適量的去離子水,經(jīng)過醇鹽的水解-縮聚反應即獲得SiO2溶膠.再在SiO2溶膠內(nèi)滴入少量的HF溶液(wHF＞40%),轉移至特定形狀的模具,靜置一段時間后凝膠.在溶膠-凝膠過程中,通過調(diào)節(jié)乙醇的量來調(diào)節(jié)最終獲得氣凝膠的密度.但是乙醇量的增加會使得溶液濃度降低,延長凝膠時間,相應增加HF溶液的添加量則可加速凝膠,使不同樣品的凝膠時間一致,方便密度梯度氣凝膠的后續(xù)合成.本文選取了TEOS:EtOH:H2O:HF體積比分別為1:1:0.25:0.03,1:2:0.25:0.04,1:3:0.25: 0.05,1:4:0.25:0.07和1:6:0.25:0.09的五組配比(分別標記為配比1-5,所得到的氣凝膠分別標記為樣品1-5)來進行研究,其凝膠時間均約為0.5 h,凝膠成型性較好.

所獲得的凝膠靜置數(shù)小時后覆蓋少量乙醇老化約24 h后脫模,再浸泡于乙醇中進行溶劑替換約72 h,其間更換乙醇3次,待進行CO2超臨界流體干燥.首先將超臨界干燥高壓釜內(nèi)充入一定量的乙醇,使其覆蓋置入的凝膠樣品;再將釜內(nèi)溫度降至約4°C,充入液態(tài)CO2替換約72 h;然后開閥放氣,使釜內(nèi)CO2液體體積減少約30%;最后關閉所有閥門,緩慢升溫至30°C左右保持0.5 h,再升至約40°C保持4 h,在超臨界流體狀態(tài)下放氣減壓,速度約為0.7 MPa·h-1,放氣完全后則干燥完成.所獲得的樣品為淺藍色透明塊體,其體積相對凝膠體積略有收縮.

本論文實驗中所用試劑除去離子水外均為分析純,購自于中國國藥集團化學試劑有限公司.

2.2 密度梯度氣凝膠的合成

密度梯度氣凝膠的合成方法有很多,早期的溫度梯度法和高速離心法合成的氣凝膠單位深度的密度差異較小,而分層粘貼法則界面影響區(qū)域大,并且合成過程和樣品參數(shù)難以控制,均不能得到廣泛的應用.20本文采用逐層凝膠法、溶膠共凝膠法和連續(xù)梯度溶膠共凝膠法,分別合成了密度變化范圍一致的密度梯度氣凝膠.

逐層凝膠法的具體制備過程為:首先將添加完催化劑的高濃度溶膠置入模具中(厚度通過溶膠體積來控制),待其完全凝膠后,在凝膠的上表面繼續(xù)添加次高濃度的溶膠;當?shù)诙尤苣z凝膠后,再依次添加較低濃度的溶膠;當五層均凝膠后,將梯度樣品進行脫模、老化、替換和超臨界干燥,最后獲得密度梯度氣凝膠.

溶膠共凝膠法的具體制備過程為:首先將添加完催化劑的高濃度溶膠置入模具中,立即在溶膠的上表面依次添加較低濃度的溶膠;當五層溶膠添加完后,靜置并等待其完全凝膠;將梯度凝膠進行脫模、老化、替換和超臨界干燥,最后獲得密度梯度氣凝膠.

連續(xù)梯度溶膠共凝膠法(實則是溶膠共凝膠法的一種特例)的具體制備過程為:首先配制配比1和配比5的兩種溶膠,采用梯度混合儀將配比5溶膠緩慢移入配比1溶膠所在容器,再使用精確移液泵不斷將混合溶膠移入成型模具中,整個過程中混合溶膠均未凝膠;待溶膠完全抽入成型模具后,靜置等待其完全凝膠;將梯度凝膠進行脫模、老化、替換和超臨界干燥,最后獲得密度梯度氣凝膠.

2.3 測試表征

氣凝膠樣品的密度均采用稱重法測得.微結構與孔徑分布采用荷蘭Philips公司的XL30FEG型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)和美國Quantachrome公司的Autosorb-1-MP型孔徑分布分析儀表征.低溫(通過液氮冷卻降溫)與常溫下的壓縮模量以切割和打磨加工成約8 mm×8 mm×6 mm(高)的氣凝膠小塊作為待測試樣，采用美國Perkin Elmer公司的DMA8000型動態(tài)熱機械性能分析儀(DMA)記錄在給定動態(tài)壓縮應力情況下樣品的應變來計算.熱導率、熱擴散系數(shù)和比熱容均通過瑞典Hotdisk公司的TPS2500熱常數(shù)分析儀測得,采用兩塊相同的氣凝膠(直徑約為4 cm,高約為2 cm的圓柱形樣品)夾住一個聚酰亞胺包覆的雙螺旋金屬傳感器探頭,記錄給定功率情況下探頭溫度隨時間的變化,再經(jīng)過曲線擬合和計算即可獲得相關的熱常數(shù).而密度梯度氣凝膠樣品的徑向密度分布則采用X射線相襯成像儀(采用美國Hamamatsu公司的L7901型X射線源)對梯度氣凝膠進行側向透射成像結合灰度值分析獲得,由于成像信號受到多種因素的影響，該結果目前只能作為定性分析.

3 結果與討論

樣品1到樣品5的密度分別約為170-180、130-140、100-120、70-90和30-50 mg·cm-3,隨著凝膠化、替換和干燥過程中的收縮率不同,密度略有不同,其平均值約為175、135、110、80和40 mg· cm-3,如圖1所示,所以三種復合方法制備的密度梯度氣凝膠樣品的密度分布范圍也在175-40 mg· cm-3之間.對配比1到配比5溶膠的凝膠時間調(diào)節(jié)非常有利于溶膠共凝膠法和連續(xù)梯度溶膠共凝膠法的操作,統(tǒng)一的凝膠時間可以使梯度氣凝膠不同深度部分的溶膠一起凝膠,避免不同步凝膠過程中引起的液面擾動和應力失配.最終制備的梯度密度氣凝膠的厚度約為1-2 cm.

3.1 微結構分析

圖2是樣品1到樣品5的SEM照片,可以看出,不同的氣凝膠均具有球形顆粒堆積而成的三維網(wǎng)絡骨架結構,球形顆粒的直徑大多分布在40-90 nm.氣凝膠的密度由(a)到(d)逐漸降低,其微觀形貌也逐漸疏松,孔徑有增加和分散的趨勢.圖(e)中樣品5的骨架呈珍珠項鏈狀分布,并且可以觀察到更精細的結構.

圖3為氣凝膠樣品的孔徑分布曲線.如圖3所示,孔徑分布結果也證實了這樣的規(guī)律.樣品1到樣品5的峰值孔徑分別為9.7,12.6,12.6,26.1和26.2 nm,孔徑分布峰的半高寬分別為3.3,3.7,4.8,11.5和20.1 nm.隨著氣凝膠密度的降低,峰值孔徑有下降的趨勢,而孔徑分布則逐漸分散.樣品5中除了介孔分布外還存在大量的微孔(＜2 nm)分布,孔徑分布非常分散,大孔(＞50 nm)含量也較多,這與SEM的分析結果相似.

圖1 不同乙醇添加比例制備氣凝膠的密度Fig.1 Densities of the aerogels prepared by different EtOH/TEOS volume ratios

3.2 梯度氣凝膠的密度分布

對梯度氣凝膠密度分布的無損檢測具有一定難度.常規(guī)的測試思路是利用樣品不同區(qū)域的不同電子密度,對X射線的吸收不同形成襯度透射成像.然而,氣凝膠屬于高孔隙率的泡沫材料,固體含量極低,對X射線的吸收率也較低,透射成像的襯度低.而采用X射線相襯成像的方式則非常適合氣凝膠,它利用不同密度樣品(對X射線的)折射率的微小差異使透過樣品的X射線相位發(fā)生明顯變化,形成相位襯度成像.對于SiO2氣凝膠來說,其透射像包含著吸收和相位的雙重信息,相位信息增強了圖像的對比度.

圖2 氣凝膠樣品的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of aerogel samplessamples(a)1,(b)2,(c)3,(d)4,and(e)5,with the densities of 175,135,110,80,and 40 mg·cm-3,respectively

圖3 氣凝膠樣品的孔徑分布曲線Fig.3 Pore distribution curves of aerogel samplessamples(a)1,(b)2,(c)3,(d)4,and(e)5,with the densities of 175,135,110,80,and 40 mg·cm-3,respectively

圖4 逐層凝膠法制備的梯度氣凝膠的密度分布Fig.4 Density distributions of gradient aerogel using layer-by-layer gelation method(a)gray value-distance curve;(b)X-ray phase contrast image,with the 12 bit grayscale;(c)blue-red pseudo-color image with the gray values from 2007 to 1493

三種方法復合的梯度氣凝膠的相襯成像照片與對應的灰度分布如圖4、圖5和圖6所示,為了便于觀察灰度趨勢,將灰度圖片進行了偽彩處理(采用100分的藍-紅色處理,如圖4到圖6中的c所示).逐層凝膠法制備的梯度氣凝膠樣品存在明顯的臺階狀灰度-深度值曲線,界面附近透過的X射線較少而灰度值較低,界面影響區(qū)域較大,而界面一側灰度值較高(較亮)的條紋是界面處的相襯信號.溶膠共凝膠法制備的梯度氣凝膠樣品的深度-灰度值曲線則顯得相對平滑,界面影響區(qū)域較小,界面附近的相襯信號也較弱.而連續(xù)梯度溶膠共凝膠法制備的梯度氣凝膠則灰度-深度值曲線非常平滑,觀察不到明顯的界面.這與三種方法的制備過程密切相關,逐層凝膠法是在下層完全凝膠后再加入上層溶膠的,下層溶膠凝膠過程中由于上表面溶劑的揮發(fā)會形成致密層,界面影響區(qū)域較大;溶膠共凝膠法則是在下層溶膠未凝膠的狀態(tài)下添加上層溶膠的,不會產(chǎn)生凝膠致密層,兩層液體之間的互擴散有利于界面的弱化,而由于重力的作用,界面也更為平整;連續(xù)梯度溶膠共凝膠法是不同配比溶膠連續(xù)混合和連續(xù)成型的,從合成方式上避免了界面的形成.界面和分層密度的存在會使得高速粒子減速過程不連續(xù),有可能損壞梯度氣凝膠材料或者被捕獲的空間粒子,所以連續(xù)梯度溶膠共凝膠法合成的梯度氣凝膠具有最佳的密度分布.整體看來,三種方法制備的樣品的梯度特性分別為臺階梯度、準連續(xù)梯度和連續(xù)梯度,這意味著樣品的密度也曾同樣的變化.研究不同密度氣凝膠的力學和熱學性質(zhì)便可推知梯度氣凝膠樣品的力學和熱學梯度特性.

3.3 力學特性分析

作為高速粒子捕獲的媒介，需對氣凝膠在低溫(模擬太空環(huán)境)和常溫(模擬地球環(huán)境)下的力學特性進行研究.如圖7所示,樣品1到樣品5在低溫(-100°C)下的壓縮模量分別為4.6×105、5.4×105、3.5×105、1.9×105和1.9×105Pa,而常溫(25°C)下的壓縮模量分別為5.0×105、6.0×105、3.9×105、2.0×105和2.1×105Pa.氣凝膠在低溫下的模量略低于常溫下的模量，但是差異不大,這可能是由于低溫下氣凝膠骨架的微小收縮造成的.而氣凝膠的模量隨著密度的增加呈上升的趨勢.氣凝膠(多孔泡沫)的楊氏模量一般與其密度的冪函數(shù)成正比關系,21其指數(shù)一般為2-4.而樣品1(175 mg·cm-3)相對樣品2(135 mg·cm-3)的模量略有下降,這可能是因為高前驅(qū)體濃度下的不均勻水解-縮聚導致氣凝膠骨架的交聯(lián)度降低造成的.相應的,三種梯度氣凝膠均具有模量的梯度分布,從密度較低到密度較高的部分,其模量有上升的趨勢.這樣的特性有利于讓高速粒子(km·s-1級)在低模量端減速,而最終停留在高模量端(除了密度導致的“軟著陸”效應外),實現(xiàn)對高速粒子的無損捕獲.

圖5 溶膠共凝膠法制備的梯度氣凝膠的密度分布Fig.5 Density distributions of gradient aerogel using sol co-gelation method(a)gray value-distance curve;(b)X-ray phase contrast image,with the 12 bit grayscale;(c)blue-red pseudo-color image with the gray values from 2328 to 1397

圖6 連續(xù)梯度溶膠共凝膠法制備的梯度氣凝膠的密度分布Fig.6 Density distribution of gradient aerogel via gradient-sol co-gelation method(a)gray value-distance curve;(b)X-ray phase contrast image,with the 12 bit grayscale;(c)blue-red pseudo-color image with the gray values from 3404 to 1605

圖7 不同密度氣凝膠樣品在-100和25°C下的壓縮模量Fig.7 Compression modulus of aerogels with different densities at-100 and 25°C

圖8 氣凝膠熱擴散系數(shù)和比熱容與其密度的關系Fig.8 Relationship between thermal diffusion coefficient or specific heat capacity and density of aerogels

3.4 熱學特性分析

圖8為氣凝膠熱擴散系數(shù)和比熱容與其密度的關系曲線.如圖8所示,隨著密度的增加,樣品的熱擴散系數(shù)降低,而比熱容增加.空氣的熱擴散系數(shù)較高(約20 mm2·s-1),而體積比熱容較低(約0.0013 MJ·m-3·K-1),多晶SiO2則相反(分別約為0.8 mm2· s-1和1.5 MJ·m-3·K-1).氣凝膠密度增加則單位體積的固含量增加,同時孔隙率降低,對熱擴散系數(shù)占主導作用的空氣分數(shù)下降,而對體積比熱容占主導作用的多晶氧化硅分數(shù)上升,這可能是導致熱學參數(shù)變化的原因.相應的,三種梯度氣凝膠均具有熱學參數(shù)的單調(diào)梯度分布,從密度較低到密度較高的部分,其熱擴散系數(shù)下降,而體積比熱容上升.

而熱導率與熱擴散系數(shù)和比熱容的乘積成正比,所以,氣凝膠的熱導率與密度并不成單調(diào)的上升或下降的關系,而在低密度和高密度的情況下熱導率較高,在中等密度的情況下熱導率較低.但是,綜合來看,不同密度氣凝膠樣品的熱導率均非常低,從樣品1(高密度)到樣品5(低密度)分別為0.03440,0.03140,0.03125,0.03135和0.03253 W· m-1·K-1.梯度氣凝膠樣品超低的熱導率可以在深空探索時作為輕質(zhì)高效的隔熱材料,而其熱擴散系數(shù)梯度特性又有利于其抵抗巨大的熱沖擊,有望大幅延長其工作壽命.

4 結論

(1)采用逐層凝膠法、溶膠共凝膠法和連續(xù)梯度溶膠共凝膠法三種復合方法制備了密度梯度氣凝膠,實現(xiàn)了1-2 cm厚度內(nèi)氣凝膠兩端密度約為4.5倍的變化.通過X射線相襯成像和灰度分析可知,三種梯度氣凝膠的密度分布分別為臺階梯度、準連續(xù)梯度和連續(xù)梯度.隨著密度降低,氣凝膠的骨架疏松,孔徑增大并分散.并通過參比樣品測試獲得了其力學與熱學特性分布.

(2)對參比樣品力學性質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn),隨著密度的增加,氣凝膠低溫(-100°C)和常溫(25°C)下的壓縮模量有上升的趨勢,熱擴散系數(shù)單調(diào)下降,體積比熱容單調(diào)上升,而熱導率則均較低且與密度無單調(diào)關系.

(3)雖然本文已實現(xiàn)連續(xù)梯度氣凝膠的合成以及性能梯度特性研究,然而,作為太空高速粒子捕獲用的梯度氣凝膠的純度(＞99%,需確定捕獲物不是雜質(zhì)),透明度(800 nm約為90%,便于觀察),密度(更高梯度以獲得更好的捕獲性能)、力學和熱學特性范圍等還需深入研究,在地面進行的高速粒子沖擊與抗熱沖擊疲勞實驗也亟待開展.

致謝: 特別感謝同濟大學物理系的顧牡教授、倪晨高級工程師和郭學俊博士生在X射線相襯成像測試與分析方面的幫助.

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(17) Marty,B.;Palma,R.L.;Pepin,R.O.;Zimmermann,L.; Schlutter,D.J.;Burnard,P.G.;Westphal,A.J.;Snead,C.J.; Bajt,S.;Becker,R.H.;Simones,J.E.Science 2008,319,75.

(18) Special issue:Stardust;Science 2006,314,1641-1824.

(19) Gui,J.Y.;Zhou,B.;Zhong,Y.H.;Du,A.;Shen,J.J.Sol-Gel Sci.Technol.2011,58,470.

(20) Du,A.;Zhou,B.;Zhong,Y.H.;Li,Y.N.;Gui,J.Y.;Shen,Y.; Shen,J.;Wu,G.M.Acta Aeronaut.Astronaut.Sin.2011,32, 961.[杜 艾,周 斌,鐘艷紅,李宇農(nóng),歸佳寅,沈 洋,沈 軍,吳廣明.航空學報,2011,32,961.]

(21) Gibson,L.J.;Ashby,M.F.Cellular Solids:Structure and Properties,2nd ed.;Tsinghua University Press:Beijing,2002; pp 376-395;translated by Liu,P.S. [Gibson,L.J.,Ashby,M. F.多孔固體:結構與性能.第二版.劉培生,譯.北京:清華大學出版社,2002:376-395.]

November 21,2011;Revised:February 7,2012;Published on Web:February 29,2012.

Thermal and Mechanical Properties of Density-Gradient Aerogels for Outer-Space Hypervelocity Particle Capture

DUAi ZHOU Bin*GUI Jia-Yin LIU Guang-Wu LI Yu-Nong WU Guang-Ming SHEN Jun ZHANG Zhi-Hua
(Shanghai Key Laboratory of Special Artificial Microstructure Materials and Technology,Tongji University, Shanghai 200092,P.R.China)

Aerogels with densities in the range 40-175 mg·cm-3were prepared using a tetraethyl orthosilicate(TEOS)ethanol-water solution as the precursor and hydrofluoric acid as the catalyst via a sol-gel process and CO2supercritical-fluid drying.The density-gradient aerogels were prepared using layer-by-layer gelation,sol co-gelation,and gradient-sol co-gelation methods and their gradient properties were studied systematically.The results show that aerogels with different densities all have a threedimensional skeleton consisting of spherical particles of diameter about 40-90 nm.The lower the density is,the looser the skeleton and pore-size distributions are,and the larger the peak value of the pore size is. Gradient aerogels prepared via different methods exhibited graded,approximately gradient,or gradient distributions.Dynamic mechanical analysis indicates that the Young?s moduli of the aerogels at-100 and 25°C(changed from 4.6×105to 1.9×105Pa and from 5.0×105to 2.1×105Pa,respectively)tend to decrease with decreasing density.Thermal constants analysis shows that as the densities of the aerogels decrease, the thermal diffusion coefficients increase and the specific heat capacities decrease,but the thermal conductivities do not change monotonically.

Gradient;Aerogel;Thermal;Mechanics; Thermal conductivity;Modulus; Low temperature

10.3866/PKU.WHXB201202292

?Corresponding author.Email:zhoubin863@#edu.cn;Tel:+86-21-65982762.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(51102184,51172163),National High Technology Research and Development Program of China,National Key Technology Research and Development Program of China(2009BAC62B02),Program for Young Excellent Tatents in Tongji University(2010KJ068),and Doctoral Fund of Ministry of Education of China(20090072110047,20100072110054).

國家自然科學基金(51102184,51172163),國家高技術研究發(fā)展(863)計劃,國家科技支撐計劃(2009BAC62B02)、同濟大學青年優(yōu)秀人才培養(yǎng)行動計劃(2010KJ068)和教育部博士點基金(20090072110047,20100072110054)資助項目

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