耐高温气凝胶绝热材料的制备特点和性能

李万景，刘溧，高相东

（1.江苏脒诺甫纳米材料有限公司，宜兴 214221；2.江苏拜富科技股份有限公司，宜兴214221 ；3.中国科学院上海硅酸盐研究所，上海 200050）

1 前言

本文对耐高温氧化铝气凝胶绝热材料的制备过程进行分析论述，运用沉积改性、碳涂层和有机链等方式使得氧化铝气凝胶的热稳定性能达到提升，同时在气凝胶中加入纤维、颗粒和晶须等增强相，使其力学性能得到提高，本文还精细地研究了氧化铝气凝胶的微观结构和气凝胶的密度，进一步提升了其隔热性和稳定性。

2 气凝胶绝热材料的特征及其应用

气凝胶是一种低密度和高孔隙率的材料，由纳米尺度颗粒构成，其气态和固态热传导程度较低，主要是由纳米尺度的孔径造成的。近年来陶瓷气凝胶由于其自身具备较强的隔热性能和耐高温性能得到了大量的关注，氧化硅气凝胶是当前最先进的气凝胶之一，已经得到了大量的运用，但是在高温环境中其孔结构容易被破坏，在使用时最高温度应当在800 摄氏度以下，与氧化硅气凝胶材料相比，氧化铝更具备耐高温性，而且热传导程度较低，在1000℃纳米孔结构依然不会被破坏，是当前最佳的气凝胶材料，在工业窑炉等绝热领域有着广阔的应用前景。但是在实际的运用中，其耐温性能依然有待进一步提高，而且还应提升其力学性能，只有解决了上述问题，才能大规模投入使用，才能为隔热领域的实际应用和发展做出贡献[1]。

3 耐高温氧化铝气凝胶复合材料的制备及力学性能的提升

氧化铝气凝胶的内部结构主要由孔隙构成，密度在0.2 g/cm3以下，其弹性模量要比致密氧化铝材料要低。氧化铝属于脆性材料，骨架很容易遭到破坏。氧化铝气凝胶本身具有较弱的脆性，在使用过程中极容易断裂，给具体的操作带来了不便。

为了提升纯氧化铝气凝胶的力学性能，可以将力学增强相制备引入其中，引入的增强相包括纤维、晶须等坚韧性较强的材料，以提升氧化铝气凝胶复合材料的力学性能，使其更加稳定。氧化铝气凝胶复合材料的制备是一个相对复杂的过程，需要增强相和氧化铝复合，另外使用不同的增强相,复合方式也有所不同。其复合过程主要包括以下的几个步骤：

颗粒和晶须往往拥有较小的颗粒的尺寸，因此通常用振动、机械搅拌等方法将其融合在氧化铝溶胶中,以方便制作出氧化铝气凝胶复合材料。研究人员为了调节氧化铝溶液的活性，使其保持稳定，选择加入乙酰乙酸乙酯溶剂，并在超声分散的环境下，对其高速搅拌，使碳化硅晶须分布在溶胶中，碳化硅晶须能够增强其坚韧性，使得氧化铝气凝胶复合材料力学性能更强。

还有的研究人员选择在氧化硅和氧化铝的混合溶胶中加入nAl2O3.B2O3晶须搅拌后,再升高温度使其变成凝胶,再经过超临界干燥，最终形成氧化硅和氧化铝气凝胶复合材料。在压力载荷下,复合材料中的晶须通过拔出机制消耗能量,因此压缩性能较好。还有的研究人员直接加入纤维素晶须来提升氧化铝气凝胶的力学性能,纤维素量越高,复合材料的柔性越强[2]。

除了上述的加入晶须来提升力学性能外，还可以加入颗粒，常见的方法是先对凹凸棒土颗粒进行分散，使其形成悬浮液后再与氧化铝溶胶结合,氧化铝气凝胶复合材料经过颗粒的改进,自身的力学性能将更稳定，需要特地说明的是复合材料的抗压强度高，通常达到了七十多兆帕，同时密度也比较大[3]。

4 氧化铝气凝胶复合材料的隔热性能

纯氧化铝气凝胶密度较低，且纳米孔结构较小，阻滞了气态和固态热传递，所以热导率质量较低，但在高温条件下其拥有较高的红外辐射透过率,因此应当引入相应的化学物质来抑制辐射物质来降低热导率，遮光剂和纤维是首选物质，其中纤维的性能最好[4]。

4.1 纤维对复合材料隔热性能的影响

相关研究证实,纤维不但能提升气凝胶的力学稳定性,而且还能吸收和散射红外辐射,从而增强氧化铝气凝胶的隔热性能，其在高温环境中还有良好的热传导质量。为了探究纤维对复合材料隔热性能的影响，首先提前准备由陶瓷纤维组成的氧化铝气凝胶复合材料，然后准备石英灯并加热十分钟，当台面温度变为1000℃时，可以观察到复合材料的冷面温度为484 ℃,因此可以看出其隔热性能较强。此外随着纤维的密度和体积慢慢扩大,纤维增强氧化铝-氧化硅气凝胶复合材料的热传导质量比较高，其在800、1000 ℃时的热导率分别仅为0.046、0.063 W/(m·K）。

同理可得，在高温的条件下，碳纤维增强的氧化铝气凝胶复合材料热导率也比较低。相关研究人员以Al-Cl3·6H2O、HCHO、间苯二酚和碳纤维毡为主要原料,经过高温裂解后得到碳纤维增强碳/氧化铝气凝胶复合材料,并在不同的高温环境下得到不同的热导率，实验发现，温度越高，热导率越高，在1400、1600 ℃的热导率分别为0.19、0.24 W/(m·K)。还可以以氯化铝为主要的前驱体来制备碳纤维增强氧化铝气凝胶复合材料,复合材料在常温、1000 ℃热导率分别为0.082、0.333 W/(m·K)。

4.2 遮光剂对复合材料绝热性能的影响

除了运用纤维来抑制辐射物质外，研究人员还可在氧化铝气凝胶复合材料中加入一些遮光剂组分，如TICl4、SiC 等),以提升其吸收和散射红外辐射的能力，从而降低高温热导率。还可在溶胶中加入遮光剂,可制成常温热导率为0.03070 W/(m·K)的氧化铝-氧化硅气凝胶复合材料，然后准备石英灯并加热三十分钟，直至台面温度变为1200℃，含遮光剂的复合材料的冷面温度要明显比不含遮光剂的复合材料低。还可以将碳化硅分散在氧化铝溶胶中,得到隔热瓦复合氧化铝气凝胶复合材料，采用石英灯单面加热材料三十分钟直至升到特定的温度，加入碳化硅的复合材料冷面温度为870℃，未加入时的温度为830℃，这就表示加入遮光剂后能够具有较强的导热性能[6]。

还可以用聚碳硅烷溶液浸渍莫来石纤维,高温裂解后，可在纤维表面制备SiC 涂层，然后再加入纤维作为增强相,最终制作成氧化铝-氧化硅气凝胶复合材料。运用这种方法能够明显提升纤维对不同波长范围内的红外辐射波的比消光系数,显著降低其热导率。

5 总结

本文简要综述三个部分，第一部分阐述了氧化铝耐高温气凝胶绝热材料的特征及其现实应用，并指出了提升其耐温性的必要性，第二部分阐述了耐高温氧化铝气凝胶复合材料的制备及力学性能的提升的主要途径，可运用颗粒及晶须两种方法来制备复合材料并提升其力学性能，为实际使用打下了基础；第三部分阐述了氧化铝气凝胶复合材料的隔热性能，可运用纤维和遮光剂两种物质来增强其隔热性能。随着技术的不断改进与发展，氧化铝气凝胶复合材料将在隔热领域有着可观的应用前景。