气凝胶高效隔热材料(冯坚等)思维导图

氧化铝气凝胶增强改性研究进展发布时间：2021-09-16T06:33:14.110Z 来源：《科学与技术》2021年14期第5月作者：何雍[]，2,陈维维1，2,丁维华1，2 [导读] Al2O3气凝胶具有良好的耐高温性能，作为高温隔热材料及高温催化剂材料领域具有广阔应用前景何雍[]，2,陈维维1，2,丁维华1，21 贵州航天乌江机电设备有限责任公司贵州省遵义市 5630032 超临界流体技术及装备国家地方联合工程研究中心贵州省遵义市 563003摘要：Al2O3气凝胶具有良好的耐高温性能，作为高温隔热材料及高温催化剂材料领域具有广阔应用前景。

然而，Al2O3气凝胶其较差的力学强度和在高温下隔热失效限制了它的应用。

研究发现通过掺杂无机物、高分子、纤维等增强体能够改善Al2O3气凝胶高温热稳定性能和力学性能。

因此，本文介绍了Al2O3气凝胶的制备方法，以及综述了近年来无机物、高分子、纤维增强Al2O3气凝胶的研究进展，并对结尾对Al2O3气凝胶的未来应用前景做了系统探讨。

关键词：氧化铝；气凝胶；改性引言 SiO2气凝胶使用温度超过650℃后，隔热性能急剧下降，因此开发耐高温隔热气凝胶十分必要。

氧化铝（Al2O3）气凝胶最先由Yoldas 以仲丁醇铝为前驱体，通过超临界干燥技术制备出来，具有低密度、高孔隙率、高比表面积和高效催化性等优异性能，是一种新型耐高温纳米多孔材料（室温下未0.029W/m·K，800℃仅为0.098W/m·K)。

近年来被作为制备耐高温隔热材料的理想材料，并被广泛用于高温隔热、高温催化剂及载体等领域[1]，因而备受关注。

例如再高温催化领域，Al2O3气凝胶作为NO还原反应的催化剂，相对其他催化剂而言具有更好的催化效率提升1000倍，是一种较好的高温催化剂。

1.Al2O3气凝胶的制备根据Al2O3气凝胶前躯体不同，分为有机金属醇盐原料法和无机盐原料法。

有机金属醇盐原料法一般是将有机金属醇盐经过水解形成溶胶，进一步脱水缩聚形成无序、连续凝胶网络骨架结构。

2气凝胶/纤维复合材料热稳定性的研究’> SiO2气凝胶/纤维复合材料热稳定性的研究摘要：本文以正硅酸乙酯（TEOS）为前驱体；乙醇和水为溶剂；采用HCl和NH3·H2O两步催化法；以莫来石纤维为增强材料,在溶胶-凝胶过程后,经过表面改性；采用常压干燥工艺、真空干燥工艺,制备了轻质纳米SiO2气凝胶/莫来石纤维复合材料。

采用STA 449 C型热重分析仪,对复合材料的热稳定性进行了测试,并分析了纤维填入后对复合材料热稳定性的影响。

关键词：热稳定性；绝热复合材料；SiO2气凝胶；莫来石纤维1 引言随着现代科技的发展,很多领域对隔热材料的要求越来越高,传统的隔热材料,如：无机纤维、有机泡沫等已不能满足现代工业的需求。

因此,现代工业隔热材料的新的发展方向气凝胶复合隔热材料应运而生,其主要是由于气凝胶具有高空隙率,而且其孔为纳米尺寸,可以有效地抑制热传导和热对流,是目前最理想的隔热材料[1-4]。

但纯SiO2气凝胶强度低、韧性差,不能作为单独的块体材料用于保温隔热工程[5-6]。

气凝胶/纤维复合材料凭借其自身独特的性能优势,在现代航空、军工、化工、冶金等高新技术领域有着广泛的应用前景[7-8]。

2 实验部分2.1 仪器与试剂本文所采用的试剂为正硅酸乙酯（TEOS）、乙醇、三甲基氯硅烷、正丁醇、正己烷、甲酰胺等均为分析纯试剂；盐酸浓度为 0.1mol/L、氨水浓度为 1mol/L ；水为蒸馏水；纤维为一般工业用莫来石陶瓷纤维。

本文所采用的仪器为JB-2型磁力搅拌器、DZKW-D-1型电热恒温水浴锅、DZF-6020B型曲线控制真空干燥箱、PHS-3型pH酸度计、STA 449 C型热重分析仪等。

2.2 样品制备取一定体积的正硅酸乙酯、甲酰胺、无水乙醇和去离子水混合搅拌；数分钟后用加入分散好的莫来石陶瓷纤维,继续搅拌；数分钟后再调节盐酸pH至酸性条件下某一恰当值,将其放入水浴锅中水浴加热保温半小时左右；待其充分水解后加入一定量的氨水作催化剂,调节pH至恰当值,使其发生凝胶化,加入母液,并老化48h以上；将老化后有一定刚性的醇凝胶/纤维复合材料取出,放入无水乙醇中浸泡1h,倒掉溶液；用正丁醇浸泡2次,放在烘箱里面烘干,每次烘24h,以使醇凝胶中的水全部被正丁醇替代,倒掉溶液；加入不同比例的三甲基氯硅烷的正丁醇溶液,50℃下恒温24h,对湿凝胶进行表面化学改性；用不同浓度的三甲基氯硅烷和正己烷对混合溶液进行表面改性3d左右,改性后将凝胶用正己烷洗涤；最后,在真空干燥箱中干燥数小时,得到气凝胶纤维复合材料。

气凝胶行业专题一、气凝胶是当前最高效节能隔热材料气凝胶是新一代高效节能隔热材料。

气凝胶是一种具有纳米多孔网络结构、并在孔隙中充满气态分散介质的固体材料，是世界上最轻的固体。

由于独特的结构，气凝胶在热学、声学、光学、电学、力学等多个领域都展示出优异的性能。

目前商业化应用的气凝胶主要围绕其高效的阻热能力展开，下游用于石油化工、热力管网、锂电池、建筑建材、户外服饰、航天、军工等多个领域。

气凝胶的阻热原理是其独立的结构带来的无对流效应、无穷多遮挡板效应、无穷长路径效应。

气凝胶的导热系数在0.012~0.024W/(m·K)，比传统的隔热材料低2~3个数量级，其隔热的原理在于均匀致密的纳米孔及多级分形孔道微结构可以有效阻止空气对流，降低热辐射和热传导：1）无对流效应：气凝胶气孔为纳米级，内部空气失去自由流动能力；2）无穷多遮挡板效应：纳米级气孔，气孔壁无穷多，辐射传热降至最低；3）无穷长路径效应：热传导沿着气孔壁进行，而纳米级气孔壁无限长。

与传统保温材料相比，二氧化硅气凝胶绝热毡的保温性能是传统材料的2-8倍，因此在同等保温效果下气凝胶用量更少。

以管道为例，直径为150mm的管道如果需要达到相同的保温效果，对应使用的保温材料膨胀珍珠岩、硅酸钙、岩棉、气凝胶毡的厚度分别为90mm、76mm、64mm、20mm。

根据中石化塔河炼化的测算，将常压焦化装置从传统保温材料改造成“二氧化硅气凝胶保温毛毡+单面铝箔玻纤布保温材料”组合保温的方式后，热损失降低了34.7%，保温层厚度较传统保温材料降低50%以上。

此外，气凝胶具备较长的使用寿命的优势，其使用寿命约为传统保温材料的4倍左右。

传统保温材料如岩棉、聚氨酯等在长期使用过程中容易吸水，一方面影响保温效果，另一方面在吸水后由于重力作用导致保温材料分布不均匀，尤其是在管道保温的使用场景下，容易造成保温材料在管道下部堆积，最终影响使用寿命。

气凝胶则具有优异的防水效果，其憎水率达99%以上，在长期使用过程中仍能保持稳定的结构和隔热效果。

新材料技术new materialtechnology本文对耐高温氧化铝气凝胶绝热材料的制备过程进行分析论述，运用沉积改性、碳涂层和有机链等方式使得氧化铝气凝胶的热稳定性能达到提升，同时在气凝胶中加入纤维、颗粒和晶须等增强相，使其力学性能得到提高，本文还精细地研究了氧化铝气凝胶的微观结构和气凝胶的密度，进一步提升了其隔热性和稳定性。

气凝胶是一种低密度和高孔隙率的材料，由纳米尺度颗粒构成，其气态和固态热传导程度较低，主要是由纳米尺度的孔径造成的。

近年来陶瓷气凝胶由于其自身具备较强的隔热性能和耐高温性能得到了大量的关注，氧化硅气凝胶是当前最先进的气凝胶之一，已经得到了大量的运用，但是在高温环境中其孔结构容易被破坏，在使用时最高温度应当在800摄氏度以下，与氧化硅气凝胶材料相比，氧化铝更具备耐高温性，而且热传导程度较低，在1000℃纳米孔结构依然不会被破坏，是当前最佳的气凝胶材料，在工业窑炉等绝热领域有着广阔的应用前景。

但是在实际的运用中，其耐温性能依然有待进一步提高，而且还应提升其力学性能，只有解决了上述问题，才能大规模投入使用，才能为隔热领域的实际应用和发展做出贡献[1]。

氧化铝气凝胶的内部结构主要由孔隙构成，密度在0.2g/cm3以下，其弹性模量要比致密氧化铝材料要低。

氧化铝属于脆性材料，骨架很容易遭到破坏。

氧化铝气凝胶本身具有较弱的脆性，在使用过程中极容易断裂，给具体的操作带来了不便。

为了提升纯氧化铝气凝胶的力学性能，可以将力学增强相制备引入其中，引入的增强相包括纤维、晶须等坚韧性较强的材料，以提升氧化铝气凝胶复合材料的力学性能，使其更加稳定。

氧化铝气凝胶复合材料的制备是一个相对复杂的过程，需要增强相和氧化铝复合，另外使用不同的增强相,复合方式也有所不同。

其复合过程主要包括以下的几个步骤：颗粒和晶须往往拥有较小的颗粒的尺寸，因此通常用振动、机械搅拌等方法将其融合在氧化铝溶胶中,以方便制作出氧化铝气凝胶复合材料。

聚酰亚胺气凝胶的制备及其性能研究钱晶晶;陈益人;冯坚;冯军宗;姜勇刚【摘要】以3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐(BPDA)和4,4’-氨基二苯醚(ODA)为合成单体,1,3,5-三(4-氨基苯氧基)苯(TAB)为交联剂,合成了聚酰亚胺溶胶,最后经CO2超临界干燥得到气凝胶。

研究了溶胶配方对聚酰亚胺气凝胶密度、收缩率、孔结构、拉伸强度及热导率等性质的影响规律,制备得到低密度、小孔径、高比表面积、低热导率和较好柔韧性能的气凝胶。

%Polyimide sol were prepared based onthe ODA,ODPA and crosslinker TAB in NMP,polyimide aero-gels were obtained via supercritical CO2 drying.Study on the effects of sol formula and density,shrinkage,por-ous structure,BET surface area,tensile strength,and thermal conductivities of polyimide aerogels,to prepared low density,small pore diameter,high BET surface area,low thermal conductivity aerogels.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2014(000)020【总页数】5页(P20122-20126)【关键词】聚酰亚胺气凝胶;柔性隔热材料;热导率【作者】钱晶晶;陈益人;冯坚;冯军宗;姜勇刚【作者单位】武汉纺织大学纺织科学与工程学院，武汉 430070; 国防科学技术大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室，长沙 410073;武汉纺织大学纺织科学与工程学院，武汉 430070;国防科学技术大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室，长沙 410073;国防科学技术大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室，长沙 410073;国防科学技术大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室，长沙410073【正文语种】中文【中图分类】TB341 引言气凝胶是由高聚物分子或胶体粒子相互聚结构成纳米多孔网络结构，并在纳米孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态纳米材料［1-3］。

原料配比对间苯二酚-甲醛气凝胶性能的影响李夏菲;冯坚;冯军宗;姜勇刚【摘要】为获得较低热导率和较高强度的高性能隔热材料,通过常压干燥制备间苯二酚-甲醛(RF)气凝胶,研究了原料配比对气凝胶性能的影响规律.结果表明:催化剂浓度减小,气凝胶密度和收缩率减小,同时强度降低;反应物浓度减小,气凝胶密度和收缩率增大,强度也增大,但热导率降低.制备的气凝胶最大密度为0.847 1 g/cm3,弯曲强度提高18.2倍(从1.22 MPa增至22.26MPa),较佳热导率为0.058～0.076W/(m·K).【期刊名称】《南京工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(038)002【总页数】4页(P56-59)【关键词】RF气凝胶;密度;收缩率;力学性能;热物理性能【作者】李夏菲;冯坚;冯军宗;姜勇刚【作者单位】国防科学技术大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室,湖南长沙410073;国防科学技术大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室,湖南长沙410073;国防科学技术大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室,湖南长沙410073;国防科学技术大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室,湖南长沙410073【正文语种】中文【中图分类】TH145.2隔热材料领域的研究热点之一是研制具有超低热导率和足够强度等性能特点的新型高性能隔热材料[1]。

现有的纤维毡(毯)类隔热材料和陶瓷纤维刚性隔热瓦等在高温下热导率较大[2],而以气凝胶为典型代表的纳米孔隔热材料的常温热导率低于空气的热导率(0.023 W/(m·K))[3-4]。

目前由有机气凝胶碳化而成的碳气凝胶具有最高的热稳定性[5-6],其中间苯二酚-甲醛(RF)有机气凝胶是最常用的原料[7-8]。

RF气凝胶是一种由有机团簇构成的多孔、无序、具有纳米连续网络结构的典型纳米非晶固态材料[9],其特点是孔隙率高(可达95%以上),比表面积大(400～1 000 m2/g),具有可控的纳米结构且密度范围广(0.003～0.8 g/cm3),可以有效降低固态、气态、辐射热导率,隔热性能优于很多传统耐高温隔热材料[10],有望作为新一代的耐超高温高性能隔热材料,应用于工业高温炉或新型航天飞行器的热防护系统中[11]。

关于中国气凝胶产业的几点思考（下）作者：金承黎来源：《新材料产业》 2016年第8期（接上期）三、气凝胶主要产品形态及纳米微孔绝热材料1. 气凝胶超级绝热原理如前所述，讨论的焦点是二氧化硅气凝胶及其作为超级绝热材料的应用。

气凝胶何以成为超级绝热材料？先来看看气凝胶的超级绝热原理，热量有3种基本传递方式：传导、对流和辐射（如图10所示）。

对于保温材料而言，热传导主要由保温材料中的固体部分来完成；热对流则主要由保温材料中的气体来完成；热辐射的传递不需要任何介质。

1992年，美国召开的国际材料工程大会上提出了超级绝热材料的概念，指在预定的使用条件下，其导热系数低于“对流空气”导热系数的绝热材料。

通过对比（见图11），具有纳米孔结构的气凝胶就是典型超级绝热材料。

气凝胶的超级绝热性能基于以下原理：“无穷长路径”效应：由于近于无穷多纳米孔的存在，热流在固体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。

“零对流”效应：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，即产生“零对流”效应。

“无穷多遮热板”的效应：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目趋于“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。

不过在400℃以上高温下使用时，仍然需要加入遮光剂来增强气凝胶对高温红外线的辐射的抵抗。

2. 气凝胶主要产品及应用当前气凝胶的产品形态主要有保温气凝胶毡、板、布、纸、颗粒、粉末和异形件等（如图12）。

气凝胶毡、板、布、纸和异形件，都是气凝胶与相应产品形态的纤维复合所得产品，基本的技术工艺是类似的，但是产品应用有较大的区别。

气凝胶毡是当前产量最大、应用最广的气凝胶产品，美国的某气凝胶企业更是挑明了只生产气凝胶毡。