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納米氣凝膠氈的特點及制備工藝

發表時間:2016年10月4日 來源:www.sale3via.com 瀏覽量:3997

隨著能源的日益匱乏及能源價格的不斷上漲,節能減耗勢在必行,傳統的隔熱材料隔熱效果不是很理想,不能滿足日益提高的隔熱要求,2006年,我國開發出了納米氣凝膠氈,這種材料能有效的限制氣相部分的熱對流。另外,由于它的固相部分也是由納米級的SiO2壁殼形成的網狀結構,它的固相熱導率也很小。因此,這種材料的結構決定了它具有超級的隔熱性能,特別是在高溫時的隔熱性能,如平均溫度在500度時,硅酸鋁纖維的導熱系數為0.153w/m.k,而納米氣凝膠氈的導熱系數僅在0.05w/m.k。

1納米氣凝膠氈的隔熱原理

現有理論和試驗表明,物體的熱導率與其尺度有關,例如:SiO2固體(石英,軸向)的熱導率為41.6W?m-1?K-1,Si02凝膠粉的熱導率為0.035W?m-1?K-1,而SiO2氣凝膠的熱導率為0.014—0.016W?m-1?K-1;當無機纖維直徑由15μm減小到3μm時,礦物纖維棉的熱導率降低12%,玻璃纖維棉的熱導率降低6%。

根據微納米尺度傳熱學,當介質尺度減小至微納米級時,導熱體可以變成熱絕緣體。也就是說,當介質尺度小于熱載子(分子、原子、電子、聲子和光子等)的平均自由行程時,尺度效應和界面效應明顯,接觸熱阻增大。熱導率減小,熱傳遞能力降低。因此,微納米尺度傳熱學與宏觀傳熱學的重要區別就在于反映介質熱量傳輸的熱導率、比熱容等參數對介質尺度的依賴性。

制備納米氣凝膠氈的主要原料是大孔容納米粉料。由于氣孔率高,熱導率就低;按照國際標準ISO2245—1972的規定,隔熱制品的氣孔率至少達到45%,一般隔熱制品的氣孔率為70%,而大孔容納米粉料的孔隙率為1.8mL?g-1。所以用大孔容納米粉料可以生產出超低導熱的隔熱板。

2納米氣凝膠氈的性能特點

如上所述,納米氣凝膠氈最突出的性能是在高溫條件下的隔熱性能。現用我們所做的試驗結果并參照國外一些產品的資料來作歸類分析

(1)導熱系數

納米氣凝膠氈具有很小的導熱系數,特別是在高溫條件下它的導熱系數與其它幾種常用的艦船隔熱材料相比具有很高的先進性(如圖1)。

圖1 納米氣凝膠保溫氈和其它幾種隔熱材料導熱系數對比

從圖1中可以看出,在高溫條件下它的導熱系數約是其它幾種隔熱材料的1/3左右。

(2)容重

在圖2中反映出在不同容重下,其導熱系數的一些變化。對于原材料配比和相同工藝制作的產品,當容重減小時,納米孔結構變得疏松,部分空隙形成了微米級尺寸,使得在高溫時空氣的熱對流加快。因此,導熱系數會隨之增加。不過,如果容重增大到一定的數值時,雖然阻止了高溫時其空氣的熱對流,但它固相部分的熱傳導變的明顯起來,導熱系數又開始變大。所以國外的一些納米氣凝膠氈的容重通常在160kg/m3~256kg/m3之間(即10~16Pcf)。而應用在艦船上,則要對材料的容重和導熱系數綜合起來考慮。

圖2 不同容重的納米隔熱材料導熱系數變化

(3)壓縮強度

由SiO2壁殼組成網絡結構的納米氣凝膠氈的強度往往是很低的。因此在制成產品時通常需要增強處理。一般用粉體顆粒作為填充骨料并用纖維材料來增強。但增強材料的過多使用會使得納米氣凝膠氈體積密度增大。而這些增強材料的直徑都比較大,因此會影響材料的隔熱性能。但它對材料的強度還是有所幫助的。同時為了增加強度,也有采用對制品用玻璃布進行貼面的方法。現有的納米氣凝膠氈有一定的壓縮變形問題,幾種非剛性隔熱材料的壓縮強度對比如表1。

表1 幾種隔熱材料的壓縮強度

(4)加熱線收縮率和使用溫度納米氣凝膠氈的主要成分為SiO2。雖然SiO2的熔點可達1700℃,但由于有一些其它化學元素的存在,會產生較低溫度的共融相。同時,在熔點以下的一段溫度范圍內還會有析晶。因此,它的實際使用溫度要低一些,一般認為在1000℃左右。納米氣凝膠氈加熱線收縮率和使用溫度的關系見表3。

表3 納米氣凝膠保溫氈加熱線收縮率和使用溫度的關系

3、納米氣凝膠氈的制備工藝

目前的納米氣凝膠氈的制備工藝通常采用溶膠一凝膠法和模壓燒結法兩大類。

(1)溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法采用正硅酸乙酯、硅溶膠、水玻璃等為硅源材料。先將催化劑(如HCl、H2SO4等)加入在這些溶膠中,再用堿性物質來調節凝膠時間,使其形成具有納米孔網絡的SiO2凝膠體。再經過老化,使得凝膠體中的SiO2粒子形成網絡結構,而網絡內的空隙被液體即水或溶劑所占據。如果能夠在干燥過程中保持原來由液體所占據的空隙被空氣所取代,這樣所得到的含有大量空氣的SiO2材料稱為硅氣凝膠。在這個過程中有一個關鍵的技術,就是由于空隙的毛細管表面張力的作用,使得凝膠體在干燥過程中,會產生收縮,并使納米孔結構產生塌陷。這樣會使整塊狀的材料開裂,最終形成空隙率很低的干凝膠。因此,早期的研究是用超I臨界干燥的方法。即在超臨界狀態下,氣體和液體之間不再有界面存在,而是成為界于氣體和液體之間的一種均勻的流體,這種流體逐漸從凝膠體中排出。由于不存在氣一液界面,也就沒有表面張力作用,因此就不會引起凝膠體的收縮和結構的破壞。但由于超臨界干燥需要高溫和高壓條件,如水的臨界溫度是274.1℃,壓力22.04MPa;乙醇的臨界溫度是239.4℃,壓力8.09MPa;因此很難進行大規模制作。目前只有NASA用此種方法與陶瓷纖維做成復合絕熱瓦應用于航天飛機上。其它僅僅停留在實驗室的研究上,還沒有商品化的產品。現在,一種比較流行的研究方法是通過表面改性來降低其表面張力。一般用三甲基氯硅烷、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等,使凝膠表面硅烷基化。這樣減小了毛細管表面張力,因而可減小凝膠在干燥過程中的收縮和開裂,使得干燥能在常壓下進行。另外還采取摻入粘結劑的方法來增加其骨架強度。不過這些方法的使用會降低該種材料的一些隔熱效果。

用溶膠一凝膠法制作的納米氣凝膠氈可以做到壁薄孔勻和形成比較理想的納米孔網絡結構,因此性能優越,但是成本比較高。

(2)模壓燒結法

納米氣凝膠氈的另一種做法是采用具有鏈狀結梅的超細SiO2微粉為主要原材料,進行模壓加工成一定的形狀。而這種SiO2微粉其鏈狀結構的原始粒徑是在納米級的范圍內。因此,由其形成的網絡結構的孔隙也是以納米級范圍為主。采用這種方法的關鍵是將這些納米級的超細SiO2微粉能連成一個具有納米孔網絡結構的整體,而最好的方法是采用燒結的方法使SiO2微粒子互相反應而成為一體。由于SiO2微粒子是在納米級的尺度范圍內,因此控制燒結溫度是這種方法的關鍵。另外在原材料中還需摻入纖維來增加強度,及加入遮光劑來有效地隔斷高溫時的輻射傳熱。用這種方法制作的產品其性能一般要比用溶膠一凝膠法做成的整塊狀產品的隔熱性能略差一些。因為在這種網絡結構中SiO2壁殼比溶膠一凝膠法的SiO2壁殼要厚(達20nm),這樣增加了固相部分的熱傳導。而且在這些粉體間還存在著一些微米級的空隙,也增加了空氣的熱對流。但目前的納米氣凝膠氈產品主要是以此種方法制作的。

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