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【原創(chuàng)】最頂級(jí)的絕熱保溫材料,,氣凝膠,yyds,!


來(lái)源:中國(guó)粉體網(wǎng)   山川

[導(dǎo)讀]  氣凝膠材料是一種納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)固體材料,,具有孔隙率高、比表面積大,、密度超低,、熱導(dǎo)系數(shù)低等特質(zhì),總結(jié)起來(lái)就是超輕,、超強(qiáng),、超級(jí)絕熱,故其用途非常廣泛,,在催化,、保溫隔熱等領(lǐng)域被稱為神奇材料。

中國(guó)粉體網(wǎng)訊  氣凝膠材料是一種納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)固體材料,,具有孔隙率高,、比表面積大、密度超低,、熱導(dǎo)系數(shù)低等特質(zhì),,總結(jié)起來(lái)就是超輕、超強(qiáng),、超級(jí)絕熱,,故其用途非常廣泛,在催化,、保溫隔熱等領(lǐng)域被稱為神奇材料,。


尤其是在絕熱保溫領(lǐng)域,室溫導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.013w/(m·k),,堪稱是最頂級(jí)的絕熱材料,,用一句“yyds”評(píng)價(jià)毫不為過(guò)(yyds,當(dāng)下很火的網(wǎng)絡(luò)用語(yǔ),永遠(yuǎn)的神拼音簡(jiǎn)稱,,意為非常厲害,,氣凝膠作為當(dāng)下乃至將來(lái)最頂級(jí)的絕熱材料當(dāng)仁不讓)。

 

大到航天材料,,宇航服消防隔熱服,;小到保溫杯、汽車隔音隔熱,、港口漏油吸油污,,非常寬泛的使用領(lǐng)域讓氣凝膠在絕熱材料市場(chǎng)受到業(yè)界高度關(guān)注。


氣凝膠的絕熱特性


1992年,,美國(guó)學(xué)者HUNTAJ提出了超級(jí)絕熱材料的概念,,是在預(yù)定的使用條件下,其導(dǎo)熱系數(shù)低于“無(wú)對(duì)流空氣”導(dǎo)熱系數(shù)的一種絕熱材料,。它具有以下特征:


1)幾乎所有孔隙特征尺寸在100nm以下,,80%以上氣孔尺寸在50nm以下;


2)極低的體積密度,;


3)在預(yù)定使用條件下具有比“無(wú)對(duì)流空氣”更低的導(dǎo)熱系數(shù),;


4)具有較好的耐高溫性能。


氣凝膠性質(zhì)及特點(diǎn)



幾種常見(jiàn)保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)


根據(jù)以上特征,,氣凝膠是一種很好的超級(jí)絕熱材料,。



氣凝膠隔熱材料隔熱機(jī)理


氣凝膠復(fù)合材料的傳熱量計(jì)算公式為:



式中:

Qg——?dú)怏w分子導(dǎo)熱量,J,;

Qc——?dú)怏w對(duì)流換熱量,,J;

Qs——固體骨架導(dǎo)熱量,,J,;

Qr——?dú)怏w輻射換熱量,J,。


對(duì)應(yīng)的熱導(dǎo)率:



式中:

kg——?dú)怏w分子熱導(dǎo)率,;

kc——?dú)怏w對(duì)流熱導(dǎo)率;

ks——固相熱導(dǎo)率,;

kr——?dú)怏w輻射熱導(dǎo)率。


1)根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)及碰撞理論,,氣體熱量傳遞主要通過(guò)高溫側(cè)的高速度分子與低溫側(cè)的低速度分子碰撞,。氣凝膠復(fù)合材料中的氣體流動(dòng)屬于過(guò)渡區(qū)或者自由分子區(qū),會(huì)嚴(yán)重限制分子的自由移動(dòng),,使氣體分子與孔壁發(fā)生彈性碰撞,,其kg趨近于0。


2)氣體對(duì)流是孔隙內(nèi)流體的宏觀運(yùn)動(dòng),引起各部分之間產(chǎn)生相對(duì)位移,,導(dǎo)致冷熱流體摻混,,發(fā)生熱量傳遞。氣凝膠的納米級(jí)孔隙尺寸會(huì)使空氣分子被限制在其自由行程內(nèi),,氣流依附在氣孔壁上,,無(wú)法形成有效對(duì)流,其kc趨近于0,,基本上可以忽略內(nèi)部孔隙的對(duì)流,。


3)固相導(dǎo)熱是固體分子在平衡位置的晶格振動(dòng)的結(jié)果。一方面,,氣凝膠復(fù)合材料極低的密度使得ks也較低,;另一方面,其內(nèi)部復(fù)雜三維連通的網(wǎng)絡(luò)納米孔結(jié)構(gòu),,延長(zhǎng)了熱量經(jīng)由固體傳輸?shù)膫鳠崧窂�,,使其�?nèi)部會(huì)有“無(wú)窮長(zhǎng)路徑效應(yīng)”也進(jìn)一步減弱了固體骨架之間的熱傳導(dǎo)。


4)氣體熱輻射不需要介質(zhì),,它通過(guò)產(chǎn)生電磁波來(lái)傳遞能量,,而外部輻射熱,穿過(guò)多孔材料時(shí),,會(huì)被多孔材料固體骨架吸收,、反射或者折射。從氣凝膠材料的電鏡掃描圖中可以看到它會(huì)有納米氣孔,,這些數(shù)量趨于無(wú)窮多的氣孔壁構(gòu)成了很多反射界面,,它們就是一個(gè)個(gè)遮熱板,使得在常溫下kr也很低,。


氣凝膠材料


目前高溫隔熱氣凝膠的主要材料為氧化物氣凝膠,、炭氣凝膠和碳化物氣凝膠3種。


氧化物氣凝膠


氧化物氣凝膠是開(kāi)始研究最早的一種氣凝膠且種類繁多,,有氧化鎢,、三氧化二鐵、氧化錫,、氧化鋯,、氧化釔等氣凝膠,都具有高孔隙率,、低熱導(dǎo)率等特點(diǎn),。目前研究最多的是二氧化硅氣凝膠和氧化鋁氣凝膠,。不僅僅在高溫隔熱領(lǐng)域,,氧化物氣凝膠在催化劑及載體,、氣體過(guò)濾,、吸附材料等方面都有廣泛應(yīng)用。


1,、SiO2氣凝膠


二氧化硅氣凝膠是高溫隔熱氣凝膠中開(kāi)始研究最早,,研究也相對(duì)更成熟的一種氣凝膠。該氣凝膠的合成方法主要是首先使用溶膠-凝膠法在溶膠中形成網(wǎng)狀納米骨架形成凝膠后,,通過(guò)超臨界干燥法去除骨架之間的溶劑并且完整保留骨架結(jié)構(gòu),。


2、Al2O3氣凝膠


氧化鋁氣凝膠的制備方法與SiO2氣凝膠類似,,前驅(qū)體一般采用醇鹽或無(wú)機(jī)鹽,。氧化鋁的熔點(diǎn)高達(dá)2000℃。相比二氧化硅氣凝膠,,氧化鋁氣凝膠由于擁有特殊的微觀結(jié)構(gòu),,在保持材料耐高溫性能的同時(shí)提高了材料的隔熱性能。但Al2O3氣凝膠在1000℃以上使用時(shí)同樣容易發(fā)生燒結(jié)(晶型轉(zhuǎn)變)導(dǎo)致材料的隔熱性能降低(體積縮減可達(dá)50%以上),。通過(guò)引入不同元素從而形成多元氧化物氣凝膠可以改善Al2O3氣凝膠的耐高溫性能,。


炭氣凝膠


氧化物氣凝膠在1000℃以上易因晶型轉(zhuǎn)變和燒結(jié)而發(fā)生塌縮從而影響材料的隔熱性能,而炭氣凝膠在惰性及真空氛圍下耐溫可達(dá)2000℃以上,,且其中的碳納米顆粒本身就有較好的輻射吸收能力,,相當(dāng)于良好的遮光劑。制備方法是將有機(jī)氣凝膠干燥和碳化,,從而得到炭氣凝膠,,但缺點(diǎn)是在空氣中350℃便會(huì)發(fā)生氧化。通過(guò)在炭氣凝膠表面覆涂抗氧化層是一種防止材料氧化的方法,,這一研究方向給炭氣凝膠帶來(lái)較好的應(yīng)用前景,。



碳化物氣凝膠


碳化物具有耐高溫、耐磨,、耐腐蝕,、熔點(diǎn)高、硬度高,、導(dǎo)電性良好等特點(diǎn),,且機(jī)械性能穩(wěn)定。雖然碳化物本身具有較高的熱導(dǎo)率,,但將其制成具有極高孔隙率的氣凝膠材料之后,,可大幅提高隔熱能力,作為一種優(yōu)良的耐高溫隔熱材料使用,。目前碳化物氣凝膠的主流研究方向?yàn)镾iC氣凝膠,,該氣凝膠的合成方法是將二氧化硅氣凝膠和碳源混合后進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)從而得到SiC氣凝膠。


純的碳化硅氣凝膠雖抗氧化性能優(yōu)于炭氣凝膠,,但在高溫條件下仍然會(huì)發(fā)生氧化,,且強(qiáng)度較低。將其與其他材料復(fù)合或?qū)⑵浔砻嫜趸纬梢粚又旅艿难趸た梢越鉀Q這兩大問(wèn)題,。


總結(jié)


氣凝膠具備良好的隔熱性能,,是目前世界上最輕的固體材料,并且滿足A級(jí)防火要求,,成為一種革命性的保溫材料,,在航天、軍事,、民用等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,。

 

需要注意的是,在氣凝膠應(yīng)用方面,,氣凝膠材料低強(qiáng)度高脆性的特點(diǎn)決定了其難以單獨(dú)作為隔熱材料使用,,必須要與無(wú)機(jī)陶瓷纖維之類的增強(qiáng)體進(jìn)行復(fù)合,在制備過(guò)程中可通過(guò)引入不同種類的高性能無(wú)機(jī)陶瓷纖維棉和遮光劑,,調(diào)整遮光劑含量及纖維排布方式,,優(yōu)化工藝條件,制備出熱力學(xué)綜合性能更為優(yōu)越的高效隔熱材料,。


參考來(lái)源:


[1]孫希靜.氣凝膠復(fù)合材料的研究進(jìn)展

[2]吳曉棟等.耐高溫氣凝膠隔熱材料的研究進(jìn)展

[3]張馳等.氣凝膠隔熱復(fù)合材料研究進(jìn)展

[4]郁可葳等.耐高溫碳化物氣凝膠隔熱材料的研究進(jìn)展


(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川)

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作者:山川

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