重復(fù)使用對纖維增強SiO2氣凝膠材料隔熱性能的影響

田響宇 韓銀龍 周 糧 吳 瓊 尚 磊 高慶福 張 博

1）中國航空制造技術(shù)研究院 北京100024

2）沈陽飛機設(shè)計研究所 遼寧沈陽110035

3）湖南榮嵐智能科技有限公司 湖南湘潭411100

近年來，隨著國際競爭日益激烈和世界軍事格局變化，對新型航空航天飛行器提出了更高要求［1-2］，具有高馬赫數(shù)、長航、可重復(fù)使用及多用途的航空航天武器裝備已成為各軍事大國的研究重點［3］。隨著飛行馬赫數(shù)增加，飛行器表面氣動加熱愈加嚴(yán)重，承受的熱環(huán)境將更加惡劣。穩(wěn)定可靠的熱防護材料是飛行器安全服役的重要保障，也是新型航空航天飛行器亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一［4-6］。

氣凝膠由納米骨架和納米多孔結(jié)構(gòu)組成，是目前已知的熱導(dǎo)率最低的固體材料，在諸多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在隔熱領(lǐng)域優(yōu)勢明顯［7-10］。國外對于氣凝膠在隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用研究開展較早。1992年，F(xiàn)ricke等［16］成功制備了密度為120 kg·m-3、室溫?zé)釋?dǎo)率0.013 W·（m·K）-1的SiO2氣凝膠；國內(nèi)國防科技大學(xué)研制的納米多孔SiO2氣凝膠高效隔熱，密度0.25 g·cm-3，室溫?zé)釋?dǎo)率0.019 W·（m·K）-1，800℃熱導(dǎo)率0.023 W·（m·K）-1，已經(jīng)在航天領(lǐng)域應(yīng)用［11-12］。

然而，目前的氣凝膠材料主要應(yīng)用在使用環(huán)境較為溫和的民用建筑、管道保溫和單次短時使用的航天飛行器熱防護領(lǐng)域。多次重復(fù)使用的航空航天飛行器一方面服役環(huán)境復(fù)雜，同一型號不同部位所處的服役熱、力等環(huán)境有顯著區(qū)別；另一方面要求單次服役時間長，并且需要多次重復(fù)使用。而氣凝膠材料的納米結(jié)構(gòu)表面能高，且納米骨架強度低，在反復(fù)的高溫條件下易發(fā)生燒結(jié)，骨架坍塌，使其失去納米孔結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重降低材料的隔熱效果。因此，氣凝膠隔熱材料的重復(fù)使用成為限制其在航空熱防護領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一［13］。

在本工作中，選取纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料為研究對象，利用石英燈紅外輻射對材料進行單面加熱來模擬材料使用環(huán)境，研究重復(fù)使用（以650℃保溫4 h為1次）對材料隔熱性能的影響，分析重復(fù)使用對隔熱性能的影響機制，以期為新型航空航天飛行器應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗

1.1 樣品選取

本工作選用的兩種纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料的基本物理性能見表1。

表1 纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料基本物理性能Table 1 Main physical properties of fiber reinforced SiO2 aerogel insulation materials

將M和X兩種纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料分別裁切為300 mm×300 mm×12 mm和300 mm×300 mm×20 mm平板狀試樣，通過石英纖維線將兩種材料緊密縫合，制備成待測樣品。圖1為待測樣品實物照片。

1.2 試驗過程

通過石英燈紅外輻射對待測樣品進行單面加熱，模擬材料服役熱環(huán)境，同時記錄樣品冷面溫度，表征樣品隔熱性能。加熱時M側(cè)為受熱面，熱面在10 s內(nèi)由室溫升至650℃保溫4 h。圖2為石英燈紅外輻射加熱裝置示意圖。

圖1 待測樣品實物照片F(xiàn)ig.1 Pictures of sample to be tested

圖2 石英燈紅外輻射加熱裝置示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of quartz lamp infrared radiation heating device

本次試驗中，以650℃保溫4 h為1次，重復(fù)使用0、10、20、30次后試驗樣品分別標(biāo)記為T0、T10、T20、T30，通過對比重復(fù)使用不同次數(shù)（0、10、20、30次）后樣品冷面溫度，表征重復(fù)使用對纖維增強SiO2氣凝膠材料隔熱性能的影響。

采用場發(fā)射掃描電鏡對樣品T0、T10、T20、T30微觀結(jié)構(gòu)進行表征，并采用氮氣吸附法對不同樣品比表面積及孔結(jié)構(gòu)進行測量；采用傅里葉紅外光譜儀對試驗樣品組成進行表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 隔熱性能

圖3示出了不同樣品在熱面650℃條件下冷面溫度隨時間的變化曲線。

圖3 重復(fù)使用后冷面溫度隨時間的變化曲線Fig.3 Curve of cold surface temperature as a function of time after reuse

由圖3可以看出：不同重復(fù)使用次數(shù)的樣品冷面溫度均隨時間延長而升高，其中在0～100 min時增加較快，且3組樣品在0～50 min時升溫速率保持一致；50～100 min時，升溫速率T30＞T20＞T10；160 min后冷面溫度逐漸穩(wěn)定，傳熱過程達到穩(wěn)態(tài)，其中，重復(fù)使用10次（T10）后的冷面溫度為106℃，20次重復(fù)使用（T20）冷面溫度升至113℃，30次重復(fù)使用（T30）后已經(jīng)達到124℃。因此，樣品的隔熱性能隨重復(fù)使用次數(shù)的增加明顯下降。

2.2 機制分析

2.2.1 紅外光譜

圖4示出了重復(fù)使用不同次數(shù)后M層和X層材料的FI-IR曲線。由圖4可以看出：兩種材料主吸收峰均出現(xiàn)在1 085、800和465 cm-1附近，分別對應(yīng)Si—O—Si的不對稱收縮振動、對稱收縮振動、彎曲振動，符合典型的SiO2氣凝膠結(jié)構(gòu)。隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加，兩種材料主吸收峰的峰位置沒有發(fā)生變化，說明Si—O—Si未發(fā)生明顯破壞，重復(fù)使用并未改變材料組成。

2.2.2 顯微結(jié)構(gòu)

圖5為重復(fù)使用不同次數(shù)后樣品的SEM圖片，M層取樣位置為距熱面約2 mm處，X層取樣位置為距M、X兩層界面約2 mm處。

圖4 重復(fù)使用不同次數(shù)后樣品的FI-IR曲線Fig.4 FI-IR curves of samples reused for different times

圖5 重復(fù)使用不同次數(shù)后樣品的SEM圖片F(xiàn)ig.5 SEM images of samples reused for different times

由圖5可以看出：未使用過的原始樣品的SiO2氣凝膠納米骨架清晰可見，由納米級的骨架結(jié)構(gòu)組成了大量的納米孔結(jié)構(gòu)。隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加，M層材料納米顆粒之間發(fā)生燒結(jié)長大，形成了大量的團簇結(jié)構(gòu)，部分孔結(jié)構(gòu)坍塌，納米孔逐漸減少。當(dāng)重復(fù)使用次數(shù)達到30次時，材料已經(jīng)出現(xiàn)明顯的燒結(jié)現(xiàn)象，納米孔結(jié)構(gòu)減少十分明顯。X層材料隨使用次數(shù)的增加微觀結(jié)構(gòu)變化趨勢與M層的相同。但由于X層材料本身所處的溫度較低，燒結(jié)程度沒有M層的嚴(yán)重。

2.2.3 比表面積與孔徑

圖6示出了不同樣品的等溫吸附-脫附曲線對比。由圖中可以看出：隨重復(fù)使用次數(shù)的增加，M層和X層氮吸附量明顯下降。

根據(jù)BET原理計算出樣品的比表面積和總孔體積見表2。由表2可知：隨重復(fù)使用次數(shù)的增加，樣品比表面積和總孔體積明顯下降。重復(fù)使用30次后，M層比表面積由184.02 m2·g-1降至71.85 m2·g-1，總孔體積也由1.79 mL·g-1降低至0.52 mL·g-1。X層的變化趨勢與M層的一致，比表面積由152 m2·g-1下降到109.44 m2·g-1，總孔體積由1.58 mL·g-1下降至0.98 mL·g-1。說明重復(fù)使用會導(dǎo)致氣凝膠隔熱材料孔結(jié)構(gòu)減少，這與SEM結(jié)果一致。

圖6 不同樣品等溫吸附-脫附曲線Fig.6 Isothermal adsorption-desorption curves of different specimens

表2 樣品的比表面積與總孔體積Table 2 Specific surface area and pore structure of samples

3 結(jié)論

（1）多次重復(fù)使用會導(dǎo)致纖維增強SiO2氣凝膠材料隔熱性能下降；重復(fù)使用10次時，冷面溫度僅為106℃；重復(fù)使用30次時，冷面溫度已經(jīng)升高至124℃。

（2）纖維增強SiO2氣凝膠材料主要由Si—O—Si組成，重復(fù)使用不改變其組成。

（3）隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加，纖維增強SiO2氣凝膠材料中納米氣凝膠顆粒發(fā)生燒結(jié)長大，總孔體積減少是其隔熱性能衰減的主要原因。