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二氧化硅(SiO2)气凝胶具有纳米多孔结构、超低密度和热导率系数,是目前公认的最高端的绝热材料。由于SiO2气凝胶的制备需要用到超临界设备,具有一定的危险性,成本昂贵。此外,SiO2气凝胶在600℃以上高温时会发生烧结现象导致多孔结构被破坏,同时发生强烈的热辐射,使得隔热效果大大降低。这些因素都严重地制约了气凝胶的大规模生产和在绝热材料领域的应用。因此,本论文主要做了以下的工作来解决气凝胶存在的问题:
首先,采用真空冷冻干燥法取代超临界干燥,在低成本的制备条件下快速得到了低密度(0.08 cm3/g)、大比表面积(1095 m2/g)和超低热导率系数(100 Pa时6.7 mw·m-1·K-1)的多孔SiO2冻干胶粉末。
其次,采用共前聚体的溶胶一凝胶法,首次以氧化锌(ZnO)为遮光剂复合到SiO2凝胶中,经冷冻干燥后得到了疏松多孔的SiO2-ZnO复合冻干胶。通过调整Si/Zn摩尔比例,经250℃热处理后具有大比表面积的多孔结构,能有效地抑制对流传热。随着热处理温度升高,晶粒尺寸增大,ZnO-SiO2复合冻干胶的红外反射率随之提高,摩尔比例为zn/Si=1:1的复合冻干胶在750℃热处理后取得最佳的绝热效果,既能保持疏松多孔的结构,同时对SiO2冻干胶的红外反射率提高了50%左右,可以有效降低高温辐射热传导。
为了避免纳米多孔的冻干胶在高温时发生烧结现象,在SiO2凝胶中复合具有高温热稳定性的氧化铝(Al2O3)成分,经过冷冻干燥后得到了大比表面积的多孔SiO2-Al2O3复合冻干胶。分别探索了不同Al/Si摩尔组成的复合冻干胶经不同热处理温度后的多孔性能和微结构,发现在950℃热处理后摩尔组成Al/Si=5:1的复合冻干胶能在升温过程中保持较高的比表面积和介孔结构,未发生烧结现象。同时,对纯SiO2冻干胶反射率的调节增幅达20%,能有效地抑制高温红外热辐射。此外,实验发现纯Al2O3、SiO2和其他摩尔组成的SiO2-Al2O3复合冻干胶在950℃时都发生高温烧结现象导致内部孔结构被破坏,致使高温绝热效果大幅度降低。
进一步探索同时具备高温耐烧结和红外高反射率的材料。通过廉价的制备工艺,制备了Zn-Al氧化物复合冻干胶,并分别在450℃、750℃和950℃热处理。通过对比复合冻干胶在不同摩尔组成和热处理温度后的微结构和红外反射率,发现摩尔组成为Al/zn=5:1复合冻干胶在950℃热处理后保持比较大的比表面积(51 m3/g)和均匀分布的介孔结构,同时红外反射率高达80%,对纯SiO2冻干胶反射率的调节幅度达50%。这种轻质多孔的复合冻干胶在高温绝热领域中既能有效地降低固态传热和对流传热,同时良好的高温热稳定性和高红外反射率又能大大减弱高温辐射热传导,从而使得冻干胶的总体热导率大大降低。