{首页主词},&

重大突破！國防科大馮堅團隊開發(fā)出耐1500℃高強韌隔熱材料！

2021-01-18 16:43:31 作者：本網(wǎng)整理來源：材料科學(xué)與工程分享至：

化鋁-氧化硅氣凝膠的低密度、耐高溫、低熱導(dǎo)特性使其在高溫隔熱保溫領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，阻礙其發(fā)展和應(yīng)用的主要瓶頸在于脆性大、高溫熱導(dǎo)率較高、制備工藝復(fù)雜。2008年以來，研究人員以陶瓷纖維（石英纖維、莫來石纖維、氧化鋯纖維等）或硼酸鋁晶須與氧化鋁-氧化硅氣凝膠進行復(fù)合，顯著提高了氣凝膠的力學(xué)性能和高溫隔熱性能。然而，目前報導(dǎo)的氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料制備過程包括溶劑置換、凝膠改性、纖維清洗或多孔骨架制備等諸多步驟，制備工藝仍較為復(fù)雜；同時，材料高溫熱導(dǎo)率仍然偏高，且最高使用溫度不超過1300℃。

為此，國防科技大學(xué)馮堅團隊提出了一種簡便的溶膠-浸漬-凝膠（SIG）和超臨界干燥（SCFD）策略，開發(fā)出新型耐1500℃高強韌低熱導(dǎo)氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料。相關(guān)論文以題為“Thermally insulating, fiber-reinforced alumina–silica aerogel composites with ultra-low shrinkage up to 1500 °C”發(fā)表在Chemical Engineering Journal上，論文第一作者為彭飛博士，姜勇剛副研究員和馮堅研究員為論文的共同通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128402

640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

該團隊以氧化鋁–氧化硅溶膠直接浸漬莫來石纖維形成凝膠/纖維復(fù)合體，然后經(jīng)超臨界干燥和熱處理獲得了耐1500℃高強韌低熱導(dǎo)氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱材料，制備過程摒棄了溶劑置換、凝膠改性等傳統(tǒng)步驟，工藝過程大為簡化（圖 1）。

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

圖1氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料制備工藝流程

氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫、高強韌特性。在空氣氣氛下，采用纖維密度為0.20-0.35g/cm3制備的復(fù)合材料經(jīng)1200～1500℃熱處理2h后，均未發(fā)生變形和開裂現(xiàn)象，且1500℃熱處理后材料厚度收縮率最低可達0.9%（圖2）；低密度（<0.4g/cm3）的復(fù)合材料還具有良好的高強韌性能，材料壓縮應(yīng)力高達0.31MPa（10%應(yīng)變），彎曲強度達到0.82MPa，經(jīng)重量為1.28噸的汽車碾壓后，仍保持完好（圖 3）。

圖2氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料的耐溫性能：經(jīng)高溫處理（2h）后的外觀：（a）1200℃、（b） 1300℃、（c） 1400℃和（d） 1500℃（纖維密度分別為0.15、0.20、0.25、0.30、0.35g/cm3）；高溫處理后材料厚度收縮率隨（e）纖維密度和（f）處理溫度的變化

圖3氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料的力學(xué)性能：（a）壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線、（b）彎曲應(yīng)力-位移曲線、（c）拉伸應(yīng)力-位移曲線；經(jīng)（d）壓縮、（e）彎曲和（f）拉伸強度測試前、后的外觀；（g）壓縮、彎曲和拉伸強度隨纖維密度的變化；（h）汽車碾壓試驗

進一步的室溫和高溫熱導(dǎo)率測試結(jié)果表明（圖4），氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料在室溫～1200℃時的熱導(dǎo)率顯著低于同類材料，1200℃時最低達到0.082W/（m·K），比同類材料最低值還優(yōu)25%。這是因為介孔結(jié)構(gòu)的氧化鋁–氧化硅氣凝膠能夠有效抑制氣態(tài)熱傳導(dǎo)，莫來石纖維能夠顯著遮擋高溫紅外輻射，兩者的協(xié)同作用賦予材料極低的熱導(dǎo)率。

圖4氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率：（a）常溫熱導(dǎo)率隨纖維密度的變化；（b）常溫熱導(dǎo)率隨空氣壓力的變化；高溫熱導(dǎo)率隨（c）溫度和（d）纖維密度的變化；（e）復(fù)合材料的傳熱機制；（f）復(fù)合材料熱導(dǎo)率與同類材料的對比

氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的高溫隔熱性能，經(jīng)1500℃單面加熱15min后，外觀和尺寸幾乎無變化，材料中的氣凝膠仍然保持介孔結(jié)構(gòu)和片葉狀形貌，化學(xué)組成亦變化很小；厚度為18mm的材料熱面和冷面溫度差高達1120℃（圖5）。該材料適用于1500℃有氧環(huán)境下高溫隔熱保溫領(lǐng)域應(yīng)用。