纤维增强SiO2气凝胶绝热材料的常压制备工艺研究

论文摘要

气凝胶通常是指以纳米量级超细微粒相互聚结构成纳米多孔三维网络结构,并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。超级绝热材料是指在预定的使用条件下,其导热系数低于“无对流空气”导热系数的绝热材料。SiO2气凝胶从结构上完全符合超级绝热材料的基本特征。SiO2气凝胶的微孔尺寸小于空气分子的平均自由程,从本质上切断了气体分子的热传导,而且微孔足够小,可有效控制气体对流传热;SiO2气凝胶的固体体积分数控制在5%,可降低它的固态热导率;掺杂红外遮蔽剂能有效降低SiO2气凝胶的红外辐射传热。故SiO2气凝胶纳米孔绝热材料在其使用温度范围内均具有优异的绝热性能。本文采用工业水玻璃为原料,纤维水镁石为增强材料,经溶胶-凝胶过程,在常压干燥下制备了SiO2气凝胶纳米孔超级绝热材料。材料的基本参数为:密度0.23g/cm3,体积收缩率4.3%,孔隙率88%,粒径5080nm,孔径大部分<100nm,SiO2含量90.06%,有效导热系数0.0150.025W/m·K,抗压强度5.4MPa,抗折强度0.5MPa。论文研究了溶胶-凝胶过程对气凝胶凝胶时间、密度、体积收缩率、孔隙率、强度、导热系数等性能的影响,结果表明,要制备性能优良的SiO2气凝胶,最佳的工艺配比为:水玻璃/水/酒精/纤维/氟硅酸钠=1/0.4/0.04/0.04/0.07;最佳制备温度为:2025℃。论文研究了热处理对气凝胶密度及强度的影响,结果表明:热处理工艺对提高SiO2气凝胶的性能帮助不大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 气凝胶的研究现状
• 1.1.1 概述
• 2 气凝胶的研究简史'>1.1.2 SiO₂气凝胶的研究简史
• 1.1.3 气凝胶的定义及结构特点
• 2 气凝胶的性能和应用'>1.1.4 SiO₂气凝胶的性能和应用
• 1.2 纤维水镁石
• 1.2.1 纤维水镁石及资源分布情况
• 1.2.2 纤维水镁石的物化性能及结构特征
• 1.2.3 纤维水镁石的应用
• 1.3 选题及研究内容
• 1.3.1 选题背景和目的
• 1.3.2 选题意义
• 1.3.3 研究内容
• 第二章 纳米孔超级绝热材料
• 2.1 纳米孔超级绝热材料的定义及特征
• 2.1.1 超级绝热材料的定义
• 2.1.2 纳米孔超级绝热材料的发展历史及现状
• 2.2 纳米孔超级绝热材料的绝热原理
• 2.2.1 气体分子热传导的控制
• 2.2.2 孔隙中气体对流传热的控制
• 2.2.4 红外辐射传热的控制
• 2.3 多孔绝热材料的导热系数
• 2.3.1 导热定律与导热系数
• 2.3.2 导热系数的测定
• 2.3.3 影响多孔绝热材料导热系数的主要因素
• 2 纳米孔超级绝热材料的制备'>2.4 SiO₂纳米孔超级绝热材料的制备
• 2.4.1 硅源的选取
• 2.4.2 制备工艺流程
• 2.4.3 干燥工艺
• 2 气凝胶的制备工艺'>2.4.4 SiO₂气凝胶的制备工艺
• 2 气凝胶的复合制备'>2.4.5 SiO₂气凝胶的复合制备
• 2 纳米孔超级绝热材料的应用'>2.5 SiO₂纳米孔超级绝热材料的应用
• 2.5.1 军事及航天领域
• 2.5.2 太阳能热水器
• 2.5.3 热电池上的应用
• 2.5.4 工业及建筑节能领域
• 2.6 小结
• 2气凝胶制备工艺研究'>第三章 纤维水镁石增强SiO₂气凝胶制备工艺研究
• 3.1 实验仪器、设备与原料
• 3.1.1 实验仪器与设备
• 3.1.2 实验原料
• 3.2 制备工艺
• 3.2.1 制备工艺流程
• 3.2.2 制备步骤
• 3.3 溶胶-凝胶工艺研究
• 3.3.1 溶胶-凝胶原理
• 3.3.2 水玻璃体系的溶胶-凝胶机理
• 3.4 小结
• 第四章 材料的表征方法与性能研究
• 4.1 材料的表征方法
• 4.1.1 扫描电镜观察
• 4.1.2 电子探针-能谱分析
• 4.1.3 密度、体积收缩率和孔隙率的测定
• 4.1.4 强度测定
• 4.1.5 导热系数测定
• 4.2 表征结果与讨论
• 4.2.1 外观形态及密度、体积收缩率和孔隙率
• 4.2.2 表面形貌、孔径及粒度分析
• 4.2.3 化学成分分析
• 4.2.4 热导率分析
• 4.2.5 力学性能分析
• 4.3 制备工艺参数对材料性能的影响
• 4.3.1 用水量的影响
• 4.3.2 乙醇用量的影响
• 4.3.3 纤维水镁石用量的影响
• 4.3.4 氟硅酸钠用量的影响
• 4.3.5 温度的影响
• 4.4 小结
• 第五章 常压干燥与热处理工艺研究
• 5.1 干燥理论研究
• 5.1.1 干燥过程
• 5.1.2 干燥过程导致凝胶结构破坏的作用力
• 5.1.3 常压干燥技术
• 2 气凝胶中的增强机理'>5.2 纤维的选择及其在SiO₂气凝胶中的增强机理
• 5.3 热处理工艺研究
• 5.3.1 热处理工艺路线
• 5.3.2 热处理工艺对气凝胶密度的影响
• 5.3.3 热处理工艺对气凝胶强度的影响
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢