Al2O3-SiO2气凝胶及其隔热复合材料的制备与性能研究

论文摘要

纤维增强气凝胶复合材料具有低密度、低导热系数、良好力学性能等优点,在新型航天飞行器、导弹、能源、化工等领域具有广阔应用前景,是国内外新型高效隔热材料研究的主要方向之一。以仲丁醇铝（ASB）、正硅酸乙酯（TEOS）为先驱体,莫来石纤维为增强纤维,通过溶胶-凝胶、超临界流体干燥等工艺制备出耐高温、高比表面积、低密度的Al2O3-SiO2气凝胶及其气凝胶隔热复合材料。用氮吸附、XRD、SEM、FT-IR等方法对气凝胶的组织和结构进行了表征和研究,采用平板导热仪、冷热面温度测试装置和电子万能试验机等对气凝胶复合材料的力学性能和隔热性能进行了研究,并采用ANSYS软件建立了气凝胶复合材料传热分析计算模型。研究了有机铝醇盐、乙醇含量和水含量对Al2O3溶胶性质的影响。以仲丁醇铝为先驱体,H2O/ASB物质的量的比为0.6时,在60℃搅拌约45分钟后可制备出稳定澄清的Al2O3溶胶;乙醇含量增大,溶胶凝胶时间延长。确定了Al2O3溶胶ASB/EtOH/H2O物质的量的比为1:816:0.6。研究了Al2O3-SiO2气凝胶的结构组成和高温热稳定性能。常温下Al2O3-SiO2气凝胶主要成分为多晶勃姆石相,具有低密度（最低0.047g/cm3）、高孔隙率（96%以上）、高比表面积（最高766m2/g）的特点,从常温到1200℃,Al2O3-SiO2气凝胶经历了γ-AlOOH（boehmite）→γ-Al2O3→M?ullite相变过程。SiO2的加入使Al2O3-SiO2气凝胶的比表面积较纯Al2O3气凝胶大为增加,1000℃热处理后比表面积由156m2/g增加到444.5m2/g,1200℃时由73m2/g增加到115m2/g,表现出良好的耐高温性能。研究了Al/Si摩尔比对Al2O3-SiO2气凝胶组织结构及性能的影响。1000℃热处理后,Al2O3-SiO2气凝胶的比表面积随Al/Si摩尔比减小而先增后减,Al/Si摩尔比为3:1和4:1时较大,为381.6m2/g和444.5m2/g;Al/Si摩尔比减小,Al2O3-SiO2气凝胶失重增大,Al-O-Si键的数目减少,使气凝胶的热稳定性有所降低。经分析发现Al/Si摩尔比为3:1的Al2O3-SiO2气凝胶的综合性能较好,可在1000℃长期使用,超临界干燥后的气凝胶属于勃姆石结构,6001100℃主要为γ-Al2O3相,1200℃为莫来石相。其平均孔径为44.6nm,吸附等温线均具有明显的第Ⅳ类等温线特征。利用气凝胶几何模型和测得的实验数据,对气凝胶的有效导热系数进行了计算。常温下,SiO2气凝胶的导热系数最低为0.012W/m·K,Al2O3-SiO2气凝胶的有效热导系数为0.030W/m·K;气凝胶密度增大可降低高温导热系数,但对其影响有限,而通过添加其它物质提高比消光系数,可显著降低高温导热系数。研究了Al/Si摩尔比、气凝胶密度和纤维体积密度等工艺参数对Al2O3-SiO2气凝胶复合材料隔热性能的影响。Al/Si摩尔比对其影响较小,Al/Si摩尔比3:1的气凝胶隔热性能相对较优;气凝胶密度和纤维体积密度增大,Al2O3-SiO2气凝胶复合材料的隔热性能增强。当Al2O3-SiO2气凝胶的Al/Si摩尔比为3:1、气凝胶密度为0.072g/cm3、纤维体积密度为0.25g/cm3时,材料隔热性能较优,其1000℃时的导热系数为0.062W/m·K,比同温度下莫来石纤维毡的导热系数降低了61%;研究了气凝胶密度和纤维体积密度对Al2O3-SiO2气凝胶复合材料力学性能的影响。气凝胶密度越大,力学性能越强,但韧性相对降低,气凝胶密度为0.072g/cm3的材料力学性能较优,弯曲、拉伸和25%形变时的压缩强度分别为0.42、0.53、0.38MPa。纤维体积密度在0.150.25g/cm3之间时,纤维体积密度越大,弯曲和拉伸强度越低,而压缩强度越高。最大值分别为0.42、0.53、0.45MPa。对Al2O3-SiO2气凝胶复合材料平板隔热效果考核,结果表明,经1000℃加热640秒后,冷面温度437℃,材料的隔热性能较好。而同条件下Al2O3气凝胶复合材料的冷面温度为484℃。通过对考核实验结果进行ANSYS模拟,推出了模拟结果与实验结果匹配程度较高的表面换热系数2W/m2·K,建立了有效的ANSYS模型。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 航天飞行器及导弹应用的隔热材料现状
• 1.2.1 有机隔热材料
• 1.2.2 无机隔热材料
• 1.3 气凝胶及其复合材料的制备和研究进展
• 2 气凝胶的制备工艺研究现状'>1.3.1 SiO₂气凝胶的制备工艺研究现状
• 2O₃ 气凝胶的制备工艺研究现状'>1.3.2 Al₂O₃气凝胶的制备工艺研究现状
• 2O₃-SiO₂ 气凝胶的制备及研究现状'>1.3.3 Al₂O₃-SiO₂气凝胶的制备及研究现状
• 1.3.4 纤维增强气凝胶复合材料的研究进展
• 1.4 传热模拟分析简介
• 1.4.1 多孔介质导热系数模型理论简介
• 1.4.2 ANSYS 热分析简介
• 1.5 选题依据和研究内容
• 1.5.1 选题依据
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 研究方法
• 2.1 实验试剂和仪器
• 2.2 研究过程
• 2.2.1 设计思想
• 2.2.2 实验工艺过程
• 2.3 样品制备具体步骤
• 2O₃-SiO₂ 溶胶的配制工艺'>2.3.1 Al₂O₃-SiO₂溶胶的配制工艺
• 2.3.2 溶胶与纤维混合工艺
• 2.3.3 老化处理工艺
• 2.3.4 超临界流体干燥工艺
• 2O₃-SiO₂ 气凝胶及其复合材料的结构、性能表征'>2.4 Al₂O₃-SiO₂气凝胶及其复合材料的结构、性能表征
• 2.4.1 孔径结构特征分析
• 2.4.2 密度和收缩率
• 2.4.3 导热系数测试
• 2.4.4 隔热效果对比测试
• 2.4.5 地面热模拟试验
• 2.4.6 力学性能
• 2.4.7 其他分析
• 2O₃-SiO₂气凝胶的制备工艺、性能及高温稳定性研究'>第三章 Al₂O₃-SiO₂气凝胶的制备工艺、性能及高温稳定性研究
• 2O₃-SiO₂ 溶胶-凝胶反应机理分析'>3.1 Al₂O₃-SiO₂溶胶-凝胶反应机理分析
• 2O₃ 溶胶-凝胶反应机理分析'>3.1.1 Al₂O₃溶胶-凝胶反应机理分析
• 2 溶胶-凝胶反应机理分析'>3.1.2 SiO₂溶胶-凝胶反应机理分析
• 2O₃-SiO₂ 溶胶-凝胶反应机理分析'>3.1.3 Al₂O₃-SiO₂溶胶-凝胶反应机理分析
• 2O₃-SiO₂ 气凝胶的工艺及基本性能研究'>3.2 Al₂O₃-SiO₂气凝胶的工艺及基本性能研究
• 2O₃ 溶胶的制备'>3.2.1 Al₂O₃溶胶的制备
• 2O₃-SiO₂ 气凝胶的制备工艺研究'>3.2.2 Al₂O₃-SiO₂气凝胶的制备工艺研究
• 2O₃-SiO₂ 气凝胶的高温稳定性分析'>3.3 Al₂O₃-SiO₂气凝胶的高温稳定性分析
• 3.3.1 TG-DSC 分析
• 3.3.2 XRD 分析
• 3.3.3 红外分析
• 3.3.4 比表面积分析
• 3.3.5 表面形貌分析
• 3.3.6 烧结机理分析
• 3.3.7 孔径分布
• 3.4 小结
• 2O₃-SiO₂气凝胶复合材料的隔热性能和力学性能研究'>第四章 Al₂O₃-SiO₂气凝胶复合材料的隔热性能和力学性能研究
• 4.1 气凝胶的隔热性能
• 4.1.1 气凝胶热传导的理论分析
• 4.1.2 简化的气凝胶传热模型
• 4.1.3 计算结果及讨论
• 2O₃-SiO₂ 气凝胶复合材料隔热性能的影响'>4.2 工艺参数对Al₂O₃-SiO₂气凝胶复合材料隔热性能的影响
• 2O₃-SiO₂ 气凝胶复合材料的隔热机理分析'>4.2.1 Al₂O₃-SiO₂气凝胶复合材料的隔热机理分析
• 2O₃-SiO₂ 气凝胶复合材料隔热性能的影响'>4.2.2 Al/Si 摩尔比对Al₂O₃-SiO₂气凝胶复合材料隔热性能的影响
• 2O₃-SiO₂ 气凝胶复合材料隔热性能影响'>4.2.3 气凝胶密度对Al₂O₃-SiO₂气凝胶复合材料隔热性能影响
• 2O₃-SiO₂ 气凝胶复合材料不同温度下导热系数的影响'>4.2.4 纤维体积密度对 Al₂O₃-SiO₂气凝胶复合材料不同温度下导热系数的影响
• 4.3 应用考核及ANSYS 模拟
• 4.3.1 应用考核
• 4.3.2 ANSYS 建模
• 4.3.3 计算结果及讨论
• 2 气凝胶复合材料的力学性能'>4.4 A1203-SiO₂气凝胶复合材料的力学性能
• 4.4.1 气凝胶复合材料的力学性能曲线分析
• 4.4.2 气凝胶复合材料的增强增韧机理研究
• 4.4.3 气凝胶密度和纤维体积密度对复合材料力学性能的影响
• 4.5 小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间论文发表情况