气凝胶隔热材料制备及航天热防护应用研究进展北大核心CSCD

我国航天事业的不断发展对航天器热防护材料提出了更高的要求,气凝胶作为一种纳米网络多孔材料,因其纳米尺度效应,具有超级隔热性能,是近年来超级隔热材料研究的热点和前沿。本文以航天热防护应用为背景,综述了气凝胶隔热材料近十年来的研究进展,包括无机氧化物气凝胶、有机气凝胶、炭气凝胶、碳化物气凝胶隔热材料等,以及其制备方法、隔热性能和热防护应用现状,结合当前航天领域需求和气凝胶隔热材料研究的难点问题,提出气凝胶隔热材料的未来发展方向。     

长尾喷管气凝胶隔热层结构设计

固体火箭发动机长尾喷管外围通常放置舵机等控制系统,为了满足控制系统的工作温度要求,设计了一种用于长尾喷管段的新型热防护复合结构。长尾段隔热层采用具有低热导率、低密度特点的二氧化硅气凝胶材料。首先建立了气凝胶材料热导率计算模型,并对高温环境气凝胶材料导热性能进行测试。随后结合气凝胶材料热导率计算,建立了长尾喷管的热防护复合结构模型,并对喷管热防护结构模型进行了瞬态传热分析和力学性能分析。结果表明,喷管热防护结构设计满足材料力学性能。在发动机工作20 s后气凝胶材料可以将喷管的长尾段外壳壁面温度控制在320 K以下。相较于传统的高硅氧酚醛隔热材料,气凝胶材料隔热效果表现更优,且可以有效减少喷管热防护结构的消极质量。     

空间探索用梯度密度气凝胶的合成与应用进展

气凝胶是空间探索领域的关键功能材料.系统介绍了单一密度气凝胶和梯度密度气凝胶材料的分类、合成方法、复合工艺、特殊性能及其在空间探索领域的应用.其中,梯度密度气凝胶材料的合成是国际上的技术难点,笔者结合自身研究将其复合方式分为早期方法、分层粘贴法、逐层凝胶法和梯度溶胶共凝胶法,揭示了梯度气凝胶应遵循由单位深度的低差异到高...     

氧化硅气凝胶粉体材料力学性能的多尺度模拟

基于氧化硅气凝胶粉体材料内部的微结构特征,建立了能反映其特征结构的多尺度力学模型,利
用分子动力学方法模拟了氧化硅气凝胶的纳米多孔结构和拉伸性能,进一步利用离散元方法模拟了粉体材料
的模压成形和多轴压缩应力-应变曲线。分子动力学模拟表明,气凝胶密度越低,其分形维数越小。此外,离
散元模拟表明,氧化硅气凝胶粉体材料的弹性模量比对应的氧化硅气凝胶弹性模量低,压缩强度比对应气凝胶
的拉伸强度高;随着围压的增加,氧化硅气凝胶粉体材料的压缩强度增加。     

有机基团改性SiO2 气凝胶研究进展

总结了有机基团改性SiO2 气凝胶的国内外最新研究进展,重点评述了接枝法和引入法改性SiO2气凝胶的原理、方法及材料性能特点,并对改性SiO2 气凝胶的未来进行了展望。     

SiO_2气凝胶材料的制备、性能及其低温保温隔热应用

由于SiO2气凝胶独特的纳米多孔结构,使其具有诸多其他材料所不能比拟的优异性能,比如极高的孔隙率和比表面积、极低的热导率及密度等特性。这些优异的性能使得SiO2气凝胶在高效保温隔热、隔声等领域具有极大的应用潜力。本文阐述了SiO2气凝胶的溶胶-凝胶制备过程及其机理,分别对SiO2气凝胶的热学、力学、光学和疏水性能的研究进展进行了概述,同时分析了气凝胶的微观结构与上述性能之间的关系,并介绍了SiO2气凝胶在低温保温隔热领域的应用现状和前景。     

纳米隔热材料导热机理与特性研究

以SiO2气凝胶为研究对象,对其气相和固相导热机理进行了研究,进而为SiO2气凝胶材料传热设计提供理论指导.建立了SiO2气凝胶固相结构单元导热模型,在考虑对声子平均自由程的各种限制条件基础上,运用动力学理论分析了影响SiO2气凝胶固相结构单元热导率的影响因素.根据SiO2气凝胶微观结构特点,建立了几种纳米孔隙模型,计算了各种条件下SiO2气凝胶的当量热导率,研究了SiO2气凝胶各物性参数对其当量热导率的影响,并对比了几种纳米孔隙模型下SiO2气凝胶的当量热导率,并与实验值做了比较.     

气凝胶骨架固相热导率的分子动力学模拟

基于分子动力学理论和模拟的算法,构建了非晶态二氧化硅模型以及初级粒子模型,研究了外界环境条件和气凝胶内部结构的变化对气凝胶固相热导率的影响规律。得到了300、500、800、1200K四种环境温度下二氧化硅气凝胶材料的固相热导率,材料的固相热导率随着环境温度上升略有增加。同时探讨了初级粒子内部缺陷对骨架固相热导率的影响,一定孔隙率范围内,随着孔隙率的增加材料的固相热导率降低,当孔隙率逐渐增加至0.26后,模型能够很好地表征实际情况。所建立的非晶态气凝胶模型及算法对该类材料的微尺度传热分析及结构设计具有借鉴价值。      

基于气凝胶的防隔热一体化材料研究进展北大核心CSCD

新型高速飞行器的快速发展对热防护系统提出了更高要求,基于气凝胶的防隔热一体化材料对提升热防护系统的防隔热性能和结构效率有重要意义。本文基于防热层材料的不同,分类概述了基于气凝胶的防隔热一体化材料的研究进展、结构形式和性能特点,并简要阐述未来防隔热一体化材料发展需要解决的问题。     

热处理对纤维增强SiO2气凝胶性能的影响

采用溶胶一凝胶法制备了纤维增强SiO_2气凝胶隔热材料,对基体SiO_2气凝胶及复合材料进行不同温度的热处理.利用扫描电镜、比表面积和孔径测试仪和导热仪等手段对处理后材料的微观结构和常温隔热性能进行表征.结果表明:复合材料经低于700℃处理后,材料基体的微观结构略有变化,常温隔热性能基本保持不变;经1000℃处理的纳米结构发生了烧结、纳米孔含量减少,常温隔热性能显著降低.     

气凝胶隔热材料在空间探测领域研究与应用进展

气凝胶材料具有纳米颗粒组成的骨架结构,形成独特的纳米尺度孔洞,密度和热导率极低,可以节省航天器空间和质量资源,是空间探测领域极端低温和高温温度环境（-230～1 800℃）下优选的隔热保温材料。本文详细综述了气凝胶材料在国内外航天器中装置隔热、空间电源保温、低温储箱保温以及星际宇航服等领域应用进展,并对气凝胶在空间探测中的未来发展进行了展望。     

莫来石纤维增强疏水SiO2气凝胶的制备

以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,三甲基氯硅烷(TMCS)为改性剂,经老化、表面疏水改性,常压干燥制备了莫来石纤维增强SiO2气凝胶隔热材料.用FT-IR、SEM、TG-DSC对其疏水特性及结构进行表征.结果表明:经常压干燥制备的莫来石纤维增强SiO2气凝胶隔热材料,微观上具有典型的气凝胶结构特征,宏观上保持其功能材料的完整性.     

耐高温气凝胶隔热材料

介绍了气凝胶的基本特点,重点介绍了SiO2气凝胶、ZrO2气凝胶、Al2O3气凝胶、Si-C-O气凝胶隔热材料的耐高温性能,并对耐高温气凝胶的发展方向进行了展望。     

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。     

氧化铝气凝胶复合高温隔热瓦的制备及性能

以陶瓷纤维制成的高温隔热瓦为骨架,真空浸渍氧化铝溶胶,再经过凝胶、老化和超临界干燥制备出氧化铝气凝胶复合高温隔热瓦,研究了其在不同温度处理后(最高温度1 400℃)的微观结构、隔热和力学性能。结果表明:气凝胶复合高温隔热瓦在1 400℃保温30 min后线收缩率仅为2%;随着热处理温度升高,气凝胶颗粒发生熔并、长大,气凝胶从填充纤维空隙到不断收缩,但对纤维骨架没有明显影响;隔热瓦的室温、高温热导率均显著降低;在热面1 400℃的背温测试中,复合后材料的背温从945℃降到870℃;复合后隔热瓦的力学性能略有增加;但是1 200~1 400℃的压缩强度下降较大。可见,气凝胶复合高温隔热瓦可改善其隔热性能,但在高温下力学性能下降。     

硅酸钙复合纳米孔超级绝热板材的研制

以正硅酸乙酯为硅源,利用溶胶-凝胶法制备SiO2气凝胶先驱体,而后采用真空浸渍工艺将SiO2气凝胶先驱体与硬硅钙石复合,最后经超临界干燥技术制备出了硅酸钙复合纳米孔超级绝热板材。研究了硬硅钙石密度、浸渍真空度、气凝胶原料配比对硅酸钙板材增重率的影响。结果表明,增重率随硬硅钙石密度的减小而增大,但随浸渍真空度和气凝胶原料配比中正硅酸乙酯的增加而增大。对制得的超级绝热板材进行了X射线衍射、扫描电镜、孔径分布等测试;结果表明,这种材料具有纳米孔结构特征(平均孔径为9.1 nm,孔径小于50 nm的孔超过80%,其他都在80 nm以内),常温常压下热导率为25 mW/(m.K),匀温灼烧试验(1 273 K)的线性收缩率仅为1%,并且无贯穿裂纹。因此有望用作航天飞机的隔热瓦,具有潜在的航天应用前景。     

充气式再入与减速系统柔性热防护材料的热冲击试验

针对充气式再入与减速系统的柔性热防护系统的研制要求,其应能够承受最高1200℃高温或最高达25 W/cm~2的热流密度、高温环境持续时间不超过100 s。为此设计了多层防热结构的柔性热防护系统,结构由外到内分别是防热层、隔热层、阻气承力层,基于热分析的结果研制了三种材料试样,其中一种试样由Nextel氧化铝织物、气凝胶和Kevlar织物组成,另外两种在其基础上分别增加了柔性烧蚀层材料和氧化铝耐火棉,同时调整了Nextel织物和气凝胶的铺层数量,模拟1200℃的高温环境进行了热冲击试验。试验结果表明,所研制的材料能够满足耐温1200℃、持续时间100 s的要求;Nextel氧化铝织物作为防热层在1200℃下性能稳定,超过650℃时气凝胶快速收缩变形、破坏;在防热层增加耐火棉(毡)后,隔热效果明显提高,并可确保内部的气凝胶保持在分解温度以下。     

新型超轻凝胶材料

美国波音公司将对一种超轻绝缘材料进行评审。这种材料由美国劳伦斯·利弗摩国家实验室研制、加州航空喷气公司生产。据称,这种别名为“凝聚烟”的航空凝胶材料是迄今为止密度最低的透明固体材料,而且对环境无害,具有很好的隔音、隔热特性,并能承受比其自身重量重100倍的载荷。目前航空喷气公司已从美国高级研究计划局得到一项为期15个月、230万美元的合同,用于小批量试生产这种航空凝胶材料。作为飞机制造商的波音公司将负责对客机机舱内部     

柔性二氧化硅气凝胶综述

二氧化硅气凝胶具有低密度、高孔隙率、高比表面积、低导热性等特点,但存在强度低、韧性差等缺陷.在此基础上,柔性二氧化硅气凝胶通过改进传统二氧化硅气凝胶的制备工艺表现出了更优的力学性能与适用性.本文综述了国内外柔性二氧化硅气凝胶的最新研究进展,分析对比了不同类型气凝胶的性能参数;重点介绍了柔性二氧化硅气凝胶常用的制备方法,...     

轴承腔典型结构热防护性能模型实验研究

针对航空发动机轴承腔中带隔热夹层的典型热防护结构，开展了模型试验件的隔热性能实验研究。通过搭建专用试验平台测量不同热防护结构在典型工作温度下的隔热性能，使用稳态法开展相应结构的等效导热率研究。结果表明，气凝胶材料厚度增加可快速提升结构整体热阻，在相同厚度条件下空气夹层与气凝胶隔热性能相当；在组合隔热夹层1/3处增加反射屏后可提升隔热温差20.4%；考虑安装“热短路”效应影响，典型组合隔热试验件热导率最小为0.58W/（m·K），远大于单独隔热材料的热导率。