耐高溫氣凝膠絕熱材料的制備特點(diǎn)和性能

李萬(wàn)景，劉溧，高相東

（1.江蘇脒諾甫納米材料有限公司，宜興 214221；2.江蘇拜富科技股份有限公司，宜興214221 ；3.中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海 200050）

1 前言

本文對(duì)耐高溫氧化鋁氣凝膠絕熱材料的制備過(guò)程進(jìn)行分析論述，運(yùn)用沉積改性、碳涂層和有機(jī)鏈等方式使得氧化鋁氣凝膠的熱穩(wěn)定性能達(dá)到提升，同時(shí)在氣凝膠中加入纖維、顆粒和晶須等增強(qiáng)相，使其力學(xué)性能得到提高，本文還精細(xì)地研究了氧化鋁氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)和氣凝膠的密度，進(jìn)一步提升了其隔熱性和穩(wěn)定性。

2 氣凝膠絕熱材料的特征及其應(yīng)用

氣凝膠是一種低密度和高孔隙率的材料，由納米尺度顆粒構(gòu)成，其氣態(tài)和固態(tài)熱傳導(dǎo)程度較低，主要是由納米尺度的孔徑造成的。近年來(lái)陶瓷氣凝膠由于其自身具備較強(qiáng)的隔熱性能和耐高溫性能得到了大量的關(guān)注，氧化硅氣凝膠是當(dāng)前最先進(jìn)的氣凝膠之一，已經(jīng)得到了大量的運(yùn)用，但是在高溫環(huán)境中其孔結(jié)構(gòu)容易被破壞，在使用時(shí)最高溫度應(yīng)當(dāng)在800 攝氏度以下，與氧化硅氣凝膠材料相比，氧化鋁更具備耐高溫性，而且熱傳導(dǎo)程度較低，在1000℃納米孔結(jié)構(gòu)依然不會(huì)被破壞，是當(dāng)前最佳的氣凝膠材料，在工業(yè)窯爐等絕熱領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但是在實(shí)際的運(yùn)用中，其耐溫性能依然有待進(jìn)一步提高，而且還應(yīng)提升其力學(xué)性能，只有解決了上述問(wèn)題，才能大規(guī)模投入使用，才能為隔熱領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展做出貢獻(xiàn)[1]。

3 耐高溫氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能的提升

氧化鋁氣凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由孔隙構(gòu)成，密度在0.2 g/cm3以下，其彈性模量要比致密氧化鋁材料要低。氧化鋁屬于脆性材料，骨架很容易遭到破壞。氧化鋁氣凝膠本身具有較弱的脆性，在使用過(guò)程中極容易斷裂，給具體的操作帶來(lái)了不便。

為了提升純氧化鋁氣凝膠的力學(xué)性能，可以將力學(xué)增強(qiáng)相制備引入其中，引入的增強(qiáng)相包括纖維、晶須等堅(jiān)韌性較強(qiáng)的材料，以提升氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料的力學(xué)性能，使其更加穩(wěn)定。氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料的制備是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，需要增強(qiáng)相和氧化鋁復(fù)合，另外使用不同的增強(qiáng)相,復(fù)合方式也有所不同。其復(fù)合過(guò)程主要包括以下的幾個(gè)步驟：

顆粒和晶須往往擁有較小的顆粒的尺寸，因此通常用振動(dòng)、機(jī)械攪拌等方法將其融合在氧化鋁溶膠中,以方便制作出氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料。研究人員為了調(diào)節(jié)氧化鋁溶液的活性，使其保持穩(wěn)定，選擇加入乙酰乙酸乙酯溶劑，并在超聲分散的環(huán)境下，對(duì)其高速攪拌，使碳化硅晶須分布在溶膠中，碳化硅晶須能夠增強(qiáng)其堅(jiān)韌性，使得氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料力學(xué)性能更強(qiáng)。

還有的研究人員選擇在氧化硅和氧化鋁的混合溶膠中加入nAl2O3.B2O3晶須攪拌后,再升高溫度使其變成凝膠,再經(jīng)過(guò)超臨界干燥，最終形成氧化硅和氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料。在壓力載荷下,復(fù)合材料中的晶須通過(guò)拔出機(jī)制消耗能量,因此壓縮性能較好。還有的研究人員直接加入纖維素晶須來(lái)提升氧化鋁氣凝膠的力學(xué)性能,纖維素量越高,復(fù)合材料的柔性越強(qiáng)[2]。

除了上述的加入晶須來(lái)提升力學(xué)性能外，還可以加入顆粒，常見的方法是先對(duì)凹凸棒土顆粒進(jìn)行分散，使其形成懸浮液后再與氧化鋁溶膠結(jié)合,氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料經(jīng)過(guò)顆粒的改進(jìn),自身的力學(xué)性能將更穩(wěn)定，需要特地說(shuō)明的是復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度高，通常達(dá)到了七十多兆帕，同時(shí)密度也比較大[3]。

4 氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料的隔熱性能

純氧化鋁氣凝膠密度較低，且納米孔結(jié)構(gòu)較小，阻滯了氣態(tài)和固態(tài)熱傳遞，所以熱導(dǎo)率質(zhì)量較低，但在高溫條件下其擁有較高的紅外輻射透過(guò)率,因此應(yīng)當(dāng)引入相應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)來(lái)抑制輻射物質(zhì)來(lái)降低熱導(dǎo)率，遮光劑和纖維是首選物質(zhì)，其中纖維的性能最好[4]。

4.1 纖維對(duì)復(fù)合材料隔熱性能的影響

相關(guān)研究證實(shí),纖維不但能提升氣凝膠的力學(xué)穩(wěn)定性,而且還能吸收和散射紅外輻射,從而增強(qiáng)氧化鋁氣凝膠的隔熱性能，其在高溫環(huán)境中還有良好的熱傳導(dǎo)質(zhì)量。為了探究纖維對(duì)復(fù)合材料隔熱性能的影響，首先提前準(zhǔn)備由陶瓷纖維組成的氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料，然后準(zhǔn)備石英燈并加熱十分鐘，當(dāng)臺(tái)面溫度變?yōu)?000℃時(shí)，可以觀察到復(fù)合材料的冷面溫度為484 ℃,因此可以看出其隔熱性能較強(qiáng)。此外隨著纖維的密度和體積慢慢擴(kuò)大,纖維增強(qiáng)氧化鋁-氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)質(zhì)量比較高，其在800、1000 ℃時(shí)的熱導(dǎo)率分別僅為0.046、0.063 W/(m·K）。

同理可得，在高溫的條件下，碳纖維增強(qiáng)的氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料熱導(dǎo)率也比較低。相關(guān)研究人員以Al-Cl3·6H2O、HCHO、間苯二酚和碳纖維氈為主要原料,經(jīng)過(guò)高溫裂解后得到碳纖維增強(qiáng)碳/氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料,并在不同的高溫環(huán)境下得到不同的熱導(dǎo)率，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫度越高，熱導(dǎo)率越高，在1400、1600 ℃的熱導(dǎo)率分別為0.19、0.24 W/(m·K)。還可以以氯化鋁為主要的前驅(qū)體來(lái)制備碳纖維增強(qiáng)氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料,復(fù)合材料在常溫、1000 ℃熱導(dǎo)率分別為0.082、0.333 W/(m·K)。

4.2 遮光劑對(duì)復(fù)合材料絕熱性能的影響

除了運(yùn)用纖維來(lái)抑制輻射物質(zhì)外，研究人員還可在氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料中加入一些遮光劑組分，如TICl4、SiC 等),以提升其吸收和散射紅外輻射的能力，從而降低高溫?zé)釋?dǎo)率。還可在溶膠中加入遮光劑,可制成常溫?zé)釋?dǎo)率為0.03070 W/(m·K)的氧化鋁-氧化硅氣凝膠復(fù)合材料，然后準(zhǔn)備石英燈并加熱三十分鐘，直至臺(tái)面溫度變?yōu)?200℃，含遮光劑的復(fù)合材料的冷面溫度要明顯比不含遮光劑的復(fù)合材料低。還可以將碳化硅分散在氧化鋁溶膠中,得到隔熱瓦復(fù)合氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料，采用石英燈單面加熱材料三十分鐘直至升到特定的溫度，加入碳化硅的復(fù)合材料冷面溫度為870℃，未加入時(shí)的溫度為830℃，這就表示加入遮光劑后能夠具有較強(qiáng)的導(dǎo)熱性能[6]。

還可以用聚碳硅烷溶液浸漬莫來(lái)石纖維,高溫裂解后，可在纖維表面制備SiC 涂層，然后再加入纖維作為增強(qiáng)相,最終制作成氧化鋁-氧化硅氣凝膠復(fù)合材料。運(yùn)用這種方法能夠明顯提升纖維對(duì)不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外輻射波的比消光系數(shù),顯著降低其熱導(dǎo)率。

5 總結(jié)

本文簡(jiǎn)要綜述三個(gè)部分，第一部分闡述了氧化鋁耐高溫氣凝膠絕熱材料的特征及其現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，并指出了提升其耐溫性的必要性，第二部分闡述了耐高溫氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能的提升的主要途徑，可運(yùn)用顆粒及晶須兩種方法來(lái)制備復(fù)合材料并提升其力學(xué)性能，為實(shí)際使用打下了基礎(chǔ)；第三部分闡述了氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料的隔熱性能，可運(yùn)用纖維和遮光劑兩種物質(zhì)來(lái)增強(qiáng)其隔熱性能。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)與發(fā)展，氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料將在隔熱領(lǐng)域有著可觀的應(yīng)用前景。