纳米隔热材料的热导率变化规律

为认识和掌握纳米隔热材料的热导率变化规律,以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源、炭黑为遮光剂、石英纤维为增强体,采用溶胶-凝胶工艺结合超临界干燥技术制备了纳米隔热材料,并采用热导率测试仪、N_2吸附-脱附、SEM、激光粒度仪对材料进行了表征。测试结果表明:未添加炭黑的材料常压热导率随表观密度的变化以203 kg/m^3为分界点,分界点之前随表观密度的增大线性降低,分界点之后则随表观密度的增大线性升高,并且后一阶段较前一阶段变化快。孔隙率相同时,常压热导率随炭黑含量的增加先降低后稍有升高,极限真空热导率逐渐降低,而常压条件下的气相热导率增大。在半对数坐标系中,气相热导率随环境气压的下降而降低,并且依据降低速率可以划分为三个阶段,101.325～30 kPa之间下降最快,且变化值约为6 mW/(m·K);30～0.1 kPa之间下降较快,且变化值约为2 mW/(m·K);0.1～0.01 kPa之间下降最慢,且基本可以忽略不计。材料常压热导率最低值为16.62 mW/(m·K),添加5wt%的炭黑后可以进一步降低至14.50 mW/(m·K)。     

科技信息

1钛纤维增强铝基复合材料美国Iowa州立大学研制出一种轻质、高刚度并有良好弯曲和拉伸强度的钛增强铝基复合材料。据报道,用这种材料制成的直径5cm的缆绳可承受275t的质量。这种材料由亚微米组成的钛纤维沿轴向增强铝基体,而铝基体则由高纯度粉末通过快速凝固工艺生产制成的,材料的主要性能如下：极限拉伸强度600MPa,密度3g／cm3,延伸率16％,电阻率4.3×10-8Ω·m,极限拉伸强度与电阻率之比为13.9MPa／10-9Ω·m。这种材料将可用于为航天器提供电源的系绳,还可用于需要高强度、良好延展性和高电导率等材料综合性能好的领域。2一步…     

高致密反应烧结SiC_f/SiC复合材料的微观结构与性能

SiC_f/SiC陶瓷基复合材料是航空发动机热结构部件的关键材料。基于国产KD-II碳化硅纤维,利用反应熔渗工艺制备了高致密的SiC_f/SiC复合材料,研究了其微观结构、常温/高温力学性能、热物理性能和高温长时氧化稳定性。反应熔渗制备的SiC_f/SiC显气孔率仅为1.6%,室温弯曲强度为(521±89)MPa,1200℃高温弯曲强度为(576±22)MPa,呈非脆性断裂特征,具有优异的高温力学稳定性。厚度方向常温热导率高达41.7W/(m·K),1300℃热导率为18.9W/(m·K)。SiC_f/SiC复合材料经1200℃氧化1000h仍保持非脆性断裂特征,弯曲强度为(360±54)MPa,仅下降19%,仍保持非脆性断裂特征。反应烧结制备的SiC_f/SiC复合材料具备优异的耐高温抗氧化性能,有望满足航空发动机热端部件对SiC_f/SiC陶瓷基复合材料的应用需求。     

电子封装用Sip/Al复合材料的热物理性能研究

采用挤压铸造法制备了Sip/A l复合材料。材料组织致密,增强体颗粒分布均匀。热物理性能研究表明,复合材料的热导率大于90 W/(m.K),线膨胀系数可在(7.48~9.99)×10-6/K范围内调整。增加基体合金中的Si含量有利于降低材料的线膨胀系数,但同时也会使热导率降低。对复合材料进行退火处理可有效降低其线膨胀系数,提高热导率。Sip/A l复合材料作为新型环保复合材料已经基本满足电子封装高导热、低膨胀的使用要求。     

氮化铝颗粒增强聚合物基板材料的制备及介电性能研究

采用氮化铝(AlN)颗粒作为增强材料,以环氧树脂(E-51)为聚合物基体,制备了陶瓷颗粒/聚合物复合电子封装与基板材料.对该复合材料的成型工艺、介电性能和导热性能进行了系统的研究.随着陶瓷颗粒增强材料含量的增加,复合材料的导热性能得到改善.在加入了陶瓷颗粒增加了复合材料导热性的同时,仍维持了聚合物材料低介电常数的优点.     

新型Sip/4032Al复合材料热物理性能研究

采用挤压铸造方法,制备了高体积分数的Si_p/4032Al复合材料。显微组织观察表明,复合材料组织致密,颗粒分布均匀,材料中没观察到孔洞和缺陷;复合材料的线膨胀系数介于(8．1～12)×10~(-6)/K之间可调,并且随着增强体含量的增加而降低,退火后线膨胀系数略有降低,Kerner模型能够较好的预测复合材料的线膨胀系数;复合材料的热导率可达103 W/(m·K),随着增强体含量的增加略有下降,退火处理后热导率略有升高,热导率计算结果均大于测试值。     

高效隔热材料结构与性能研究

以陶瓷隔热瓦和纳米隔热材料为研究对象,揭示了高效隔热材料结构与性能的关系.研究结果表明:随着密度的增加,隔热材料室温热导率和力学性能随之增加;陶瓷隔热瓦平面方向和厚度方向的结构和性能存在明显差异;复合纳米结构后,材料的隔热性能明显提高;室温热导率从43 mW/(m·K)降低至36 mW/(m·K);添加少量功能添加物后,材料的高温隔热性能进一步提高,高温考核中背面温度从668℃降低到576℃.同时介电常数从2.2％增加到6.6％;通过气相超临界工艺在材料表面接枝有机基团,材料表面疏水状态发生显著变化,材料具备了防水和低吸潮的特性.     

导热硅橡胶复合材料研究

以甲基乙烯基硅橡胶为基胶,两种不同粒径(3 μm,20 μm)的微米氧化铝为导热填料制备了填充型导热绝缘硅橡胶.研究了不同粒径氧化铝混合填充用量对硅橡胶导热性能、硫化行为、热膨胀系数、热稳定性影响.结果表明,随氧化铝用量增加体系热导率和热稳定性显著上升,线性膨胀系数降低,填料对硅橡胶硫化影响不大.使用电子级玻璃布为增强体制得了热导率达0.92 W·(m·K)-1、电绝缘和力学性能优良,适宜作为绝缘导热场合的热界面使用的导热硅橡胶复合材料.     

微孔纳米板与陶瓷纤维板热导率对比研究

文摘采用非稳态热线法测试了微孔纳米板与陶瓷纤维板在RT~1 000℃区间热导率,利用SEM微观形貌与荧光光谱成分分析,结合微观导热机理对测试结果进行了分析。结果表明:纳米板热导率分布在0.03~0.1 W/(m·K)区间,纤维板为0.055~0.25 W/(m·K);两种材料热导率均随着温度升高而增大,且规律均为先缓后急,不同的是,纤维板热导率在300℃以后开始急剧增大,而纳米板在550℃之后才开始较快增长;纳米板整体上升趋势缓于纤维板,温度越高,两者热导率差异越大。分析认为纳米尺寸的固体颗粒及内部气孔是纳米板拥有低热导率的关键因素。     

适于低温应用的玻璃纤维/聚醚酰亚胺复合材料

采用不同含量玻璃纤维/聚醚酰亚胺制备高性能复合材料,对其超低温(-253℃)线胀系数进行深入研究,并对其常温下的热导率、力学性能进行比较.结果表明,玻璃纤雏质量分数为30%时,复合材料的综合性能优异,其典型性能如下:低温线胀系数纵向为2.16×10~(-5)/K,横向为3.03×10~(-5)/K,热导率为0.31W/(m·K),拉伸强度为158 Mpa,弯曲强度为264 Mpa,无缺口冲击强度为4.24 J/cm~2.     

低密度气凝胶复合材料的火星环境适应性研究

针对航天器的使用要求,研制了密度≤30 kg/m~3轻质高效的二氧化硅气凝胶复合材料。针对深空探测的应用环境,对低密度气凝胶复合材料在不同条件下的热导率、热循环、热真空和电离总剂量等环境试验进行测试。结果表明,低密度气凝胶复合材料服役温度可达到-145～85℃,在1 kPa CO_2气氛下热导率可达到6.6 mW/(m·K)。获得了不同气氛和不同温度条件下以及同种气氛、不同压力条件下低密度气凝胶复合材料的热导率变化规律,并测试批次性材料热导率,结果表明批次热导率稳定性良好。热循环、热真空和电离辐照试验前后热导率和尺寸收缩率均未变化,表明低密度气凝胶复合材料在深空环境下保持良好的结构和稳定的隔热性能。     

湿热、盐雾和霉菌对氧化铝纳米隔热材料的性能影响

以氧化铝纳米隔热材料为研究对象,开展了湿热、盐雾和霉菌对材料的性能影响研究。结果表明:湿热环境下,密度为0.45 g/cm3的材料室温下热导率由0.031 W/(m·K)增加到0.047 W/(m·K);盐雾环境下,热导率由0.031 W/(m·K)显著增加到0.136 W/(m·K);霉菌环境下,热导率基本保持不变为0.031 W/(m·K)。分析了材料表面与上述环境的相互作用,发展了材料表面防潮技术。经防潮后的氧化铝纳米隔热材料疏水性显著提高,接触角均超过90°。再经贮存环境试验考核,发现材料基本不受湿热、盐雾和霉菌的影响。     

高红外反射率稀土氧化物掺杂YSZ/YSZ多层结构热障涂层

由于先进航空发动机工作温度的不断提升,迫切需要提高热障涂层的隔热效果和工作温度。本工作设计并制备一种新型的稀土氧化物掺杂YSZ/YSZ多层结构热障涂层,对涂层的微观组织、热导率及红外热反射率进行表征,研究稀土氧化物掺杂多层结构热障涂层材料微观结构对涂层相结构、热导率及红外热反射率的影响。结果表明:多层结构涂层表现为(200)择优取向,层数增多有助于降低涂层的热导率并提高其热反射率;具有200个亚层的等厚比多层涂层的热导率为1.1~1.16 W/m·K,比普通的单层YSZ下降了11%,红外热反射率可达48%~55%。     

陶瓷／金属的连接工艺

在先进的制造业中,陶瓷／金属连接构成的复合件作为结构材料可以获得金属、陶瓷的性能互补,并降低复合材料制造成本。本文介绍了各种连接方法的机理及特点,并重点讨论了对未来先进发动机的高温结构复合材料部件制造有重要意义的陶瓷／金属钎焊及自蔓延高温合成（ＳＨＳ）焊接工艺。     

隔热瓦/SiO2气凝胶复合材料的制备与性能

以莫来石纤维和玄武岩纤维为主要成分,以硅溶胶为黏接剂制备的隔热瓦作为增强体,真空浸渍SiO_2溶胶后经过凝胶、老化和超临界干燥工艺制备隔热瓦/SiO_2气凝胶复合材料,并对材料的微观结构、热稳定性和隔热性能进行了表征。结果表明:由于玄武岩纤维具有更细的直径和含有一定量的红外辐射抑制成分,随着隔热瓦中玄武岩纤维质量分数的增加,复合材料的室温热导率从63 mW/(m·K)降至47 mW/(m·K),在热面600℃持续15 min条件下的背面温度从200℃降至117℃,有效地提高了复合材料的隔热性能;但因玄武岩纤维的使用温度显著低于莫来石纤维,复合材料的高温线收缩率增大,热稳定性有所下降。     

浆料浸渍工艺制备高性能Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料

为了利于大型构件的制备,采用浆料浸渍工艺,以Nextel 720连续氧化铝纤维增韧,通过一次烧结过程制备了Al₂O₃/Al₂O₃陶瓷基复合材料。测试了复合材料的物理及力学性能,并采用光学显微镜、SEM对试样的微观形貌进行了表征。结果表明：复合材料的体积密度为2.64 g/cm³,显气孔率为26%,材料基体呈现典型的多孔结构特征;室温及1 200 ℃,复合材料厚度方向的热导率分别为3.49及2.04 W/（m·K）;200～1 200 ℃,复合材料面内方向的热膨胀系数为（4.7～7.1）×10^-6/K;复合材料室温、1 100及1 200 ℃拉伸强度分别为202.4、222.4及228.4 MPa,试样断面纤维拔出明显;室温弯曲强度为200.5 MPa,试样发生韧性断裂;层剪强度为21.0 MPa。制备的材料主要性能与美国ATK-COI陶瓷公司的同类型材料相当,部分力学性能更优异。     

碳化温度对C/C复合材料微观结构及热性能的影响

采用CVI PIC工艺制备了四种碳毡增强碳基复合材料(C/C), 其中对三种样品A、B、C在2 500℃进行了一次石墨化处理,样品D未进行石墨化处理。为与900℃碳化对比,研究了1 500℃碳化对复合材料微观结构及热性能的影响。结果表明:碳化温度由900℃提高到1 500℃后,样品A的开孔率下降11. 6% ~13. 5%, 1 000℃的xy向线膨胀系数由1. 75×10-6 /K增大到2. 17×10-6 /K; xy向和z向的800℃热导率分别由65. 07W/(m·K)、45. 98W/(m·K)增大到75. 44W/(m·K)、54. 86W/(m·K);xy向和z向的比热容分别由1. 70kJ/(kg·K)、1. 43kJ/(kg·K)增大到1. 79kJ/(kg·K)、2. 19kJ/(kg·K)。样品B和样品C也表现出基本相同的趋势;随着碳化温度由900℃提高到1 500℃,样品D中微晶尺寸由2nm增大到4nm。     

酚醛树脂基泡沫碳材料的烧蚀与隔热性能

为考察纳米孔径的酚醛树脂基泡沫碳材料的烧蚀与隔热性能,以酚醛树脂为碳源,环戊烷为发泡剂,吐温80为表面活性剂,对甲苯磺酸为固化剂,采用发泡固化碳化工艺制备了低密度泡沫碳材料。所制备的泡沫碳材料密度为0. 3 g/cm^3,压缩强度达到了11. 7 MPa。采用LFA457激光导热仪考察了泡沫碳材料在不同温度下(25、200、400、600℃)的导热性能,25℃下热导率为0. 141 W/(m·K),600℃下热导率为0. 344 W/(m·K);通过氧乙炔试验(30 s/60 s)对泡沫碳材料与C/C复合材料在同样的气流条件下隔热性能进行了比较,在材料正面烧蚀峰值温度泡沫碳材料比C/C复合材料高出约400℃的情况下,背面峰值温度比C/C复合材料仍低出150℃;通过氧乙炔试验考察泡沫碳材料的抗烧蚀性能,氧乙炔烧蚀60 s的线烧蚀率为0. 031 mm/s。试验结果证明低密度的泡沫碳材料同时具备优异的隔热与高温抗烧蚀性能。     

ZrB2 改性C/ C-SiC 复合材料性能研究

采用碳纤维复合网胎针刺预制体,通过溶液浸渍工艺制备了碳纤维增强C/C-SiC和C/C-SiC-ZrB2陶瓷基复合材料,并对材料的力学、热物理和烧蚀性能进行了分析对比。结果表明:针刺C/C-SiC-ZrB2复合材料的面内弯曲强度、厚度方向的压缩强度、层间剪切强度分别为199、274和19.3 MPa,各性能均低于对应的针刺C/C-SiC复合材料。针刺C/C-SiC-ZrB2材料与针刺C/C-SiC材料相比,热导率得到大幅度提高,而线胀系数略微有所降低。2 500 K、600 s风洞试验后,针刺C/C-SiC-ZrB2复合材料表现出良好的抗氧化烧蚀性能,质量烧蚀率约0.4×10-4g/s。     

Al2O3(YAG)/LaPO4层状陶瓷复合材料研究

选择Al2O3(YAG)作为基体片层材料,LaPO4作为界面层材料,采用凝胶注模成型技术制备出基体层材料的坯片,然后在基体层坯片上采用浸渍或喷涂工艺附着界面层材料,最后将坯片叠置于模具中热压烧结.制备的陶瓷复合材料微观结构均匀,基体片层厚度为110-150μm,界面层厚度为10～30μm,实测层厚比为11.重点研究工艺参数及界面层成分对层状陶瓷复合材料室温性能的影响.结果表明,氧化物基层状陶瓷复合材料的抗弯强度比基体材料略有下降,但室温断裂韧性达到了13.52MPa·m1/2,是基体材料断裂韧性的3倍.对比氧化物基层状陶瓷复合材料与基体材料在断裂过程中裂纹扩展路径的差异.