胶凝材料学34

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1、纳米气凝胶/纤维复合保温隔热材料主讲人：彭戴组员：刘涛彭飞1.气凝胶的定义2.气凝胶的发展3.气凝胶的保温性能4.气凝胶及其复合材料的制备5.纳米气凝胶的相关应用气凝胶又称为干凝胶。当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状，这即为干凝胶，也称为气凝胶。这种气凝胶呈半透明淡蓝色，重量极轻，因此人们也把它称为“固态烟”。气凝胶的定义1931年，美国斯坦福大学Kistler通过水解水玻璃首次制备得到气凝胶。1985年，德国维尔兹堡大学物理所组织召开首届“气凝胶国际研讨会”。1993年，气凝胶被应用到宇航服、太空飞船、航天飞机等。

2、2002年，美国宇航局创立Aspen气凝胶公司以供研发和生产气凝胶。气凝胶的发展纳米级材料（50nm）低导热系数（0.013W/(K·m)）低密度（3kg/m3）高孔隙率（催化剂、吸附剂）低折射率气凝胶的特性对流：当气凝胶材料中的气孔直径小于70nm时，气孔内的空气分子就失去了自由流动的能力，相对地附着在气孔壁上，这时材料处于近似真空状态。辐射：由于材料内的气孔均为纳米级气孔再加材料本身极低的体积密度，使材料内部气孔壁数日趋于“无穷多”，对于每一个气孔壁来说都具有遮热板的作用，因而产生近于“无穷多遮热板”的效应，从而使辐射传热下降到近乎最低极限热传导：由于近于无穷多纳米孔的存在，热流在固体

3、中传递时就只能沿着气孔壁传递，近于无穷多的气孔壁构成了近于“无穷长路径”效应，使得固体热传导的能力下降到接近最低极限气凝胶保温绝热原理纳米气凝胶保温隔热材料的优势纳米技术应用于保温隔热材料领域，可克服传统保温隔热材料无法解决的难题，为开发高性能保温隔热材料指明了方向，更能满足工业化生产的需要。纳米SiO2气凝胶绝热材料纳米SiO2气凝胶Hanopore、Aeoojet、BASF、OESY、Hoechst、LONO等大型企业广泛开展纳米气凝胶的规模生产和商业应用研究纳米效应孔隙率高空隙尺寸小比表面积大降低导热系数减少用量纳米化优势纳米气凝胶/纤维材料纳米气凝胶/纤维复合融合纳米气

4、凝胶热稳定、低热导等技术特点，研制的新型保温隔热材料在提高高温稳定性、降低能耗等方面显示出突出优势。低成本无污染工艺规模化生产室温高温低热导纳米复合室温热导率500℃热导率污染传统材料0.05~0.06w/(mK)0.09~0.1w/(mK)严重纳米化0.01~0.02w/(mK)0.06w/(mK)轻常压制备SiO2气凝胶自行研制的SiO2气凝胶的扫描电镜（SEM）照片工业硅溶胶DMF、乙醇湿凝胶醇凝胶乙醇疏水改性三甲基氯硅烷气凝胶常压干燥正己烷搅拌、调节pH前驱体溶胶水聚合凝胶气凝胶pH值10987654胶凝时间﹤1min30min80min24h3day不胶凝不胶凝不同pH值下的体系

5、胶凝时间条件影响因素：羟乙基纤维素、尿素、乙酸、氨水无水乙醇：硅溶胶体积比不同条件下形成的湿凝胶无水乙醇：硅溶胶为2:1时不同ph下湿凝胶无水乙醇：硅溶胶为2:1ph=10.4时气凝胶SEM图原位法制备的气凝胶（无水乙醇：硅溶胶1：1）表面后处理法制备的气凝胶（无水乙醇：硅溶胶1：1）纳米复合保温隔热材料工艺浸渍纤维前驱体凝胶—干燥复合体凝胶化70-90℃140℃SiO2气凝胶/硅酸铝纤维复合材料制品的照片95℃反应样品的SEM形貌与110℃反应样品的SEM形貌V硅溶胶：V无水乙醇=1：1SEM图像与V硅溶胶：V无水乙醇=2:1SEM图像断裂弯曲应变（εfB）规定挠度时的弯曲应力（σfc）

6、弯曲模量（Ef）弯曲强度（σfM）断裂弯曲应力（σfB）％MPaMPaMPaMPa1.551.6887.022.161.68最大力断裂伸长率拉伸断裂应力拉伸强度N％MPaMPa105.222.982.122.13弯曲实验数据表拉伸实验数据表弯曲力-位移曲线拉伸力-位移曲线浸渍所用体积与密度的关系俄罗斯“和平号”空间站“火星漫步者”，抵挡入夜-100℃超低温美“火星探路者”探测器（保护机器人电子仪器设备）纳米气凝胶相关应用美·宇航服气凝胶材质的隔热内里该夹层约18毫米厚度能够帮助宇航员承受抗击1400℃的高温~-130℃的超低温·宇宙飞船重返地面高速飞行中承受大气层剧烈摩擦气凝胶隔绝千摄氏度

7、高温保障航天器安全返还军事应用美·DDG51驱逐舰船舶保温，如锅炉、舱壁、舱体、甲板、热力源、管道、烟囱和甲板等英·美洲豹战斗机·机舱隔热层美·鱼鹰直升机·舱壁隔热工业设备及管道的保温锅炉、炼解炉、干燥机和窑的保温导管、烟道的保温沉淀器/过滤器的内衬的保温储罐的保温汽轮机的保温蒸馏塔的保温流程管道的保温冷流程管道的保温容器保温阀门箱和其他松散填充材料的保温Hugoboss“零夹层”气凝胶纤维3mm防风衣（40mm羽绒服）