论文总字数：25413字

摘 要

随着航空航天领域以及民用领域的对隔热防护需求的日益提高，传统隔热材料已经难以满足其需求。气凝胶作为新型隔热材料，具有低密度、低热导率、高孔隙率等优异性能，然而脆性大的致命缺陷限制了它的应用。本课题采用正硅酸四乙酯(TEOS)为硅源，酸碱两步法，选取乙腈和乙醇两种稀释剂按照不同体积比稀释，然后用稀释得到的硅溶胶浸渍纤维增强材料，通过超临界干燥获得SiO₂气凝胶复合隔热材料。性能最佳的是阻燃海绵增强SiO₂气凝胶复合隔热材料，乙醇作为稀释剂按1:1稀释，复合材料容重0.103 g/cm³，热导系数0.023 W/(m·K)，抗压强度0.153 MPa，吸水率4.97%；超细玻璃纤维毡增强SiO₂气凝胶复合隔热材料，乙醇作为稀释剂1:1稀释，复合材料的密度0.06 g/cm³，热导率0.019 W/(m·K)，抗压强度0.106 MPa，吸水率4.09%。

关键词：SiO₂气凝胶 复合材料 低密度 低热导率 力学性能 隔热性能

Preparation and properties of ultra-lightweight SiO₂ aerogel thermal insulation composite material

Abstract

With the development of technology, the demand for thermal insulation in civil fields. As a new type of thermal insulation material, aerogel has good properties such as low density, low thermal conductivity, and high porosity. However, high brittleness limits its application. This subject uses TEOS as the silicon source, acid-base two-step method, two diluents of acetonitrile and ethanol are diluted according to different volume ratios, and then the fiber reinforced material is impregnated with the diluted silicon solution, and the fiber reinforced SiO₂ aerogel is prepared by CO₂ supercritical drying Composite insulation material. The experimental study found that the best performance is reinforced with flame retardant sponge, ethanol is diluted 1:1, the density of the composite is 0.103 g/cm³, the thermal conductivity is 0.023 W/(m·K), and the compressive strength is 0.153 MPa, Water absorption rate of 4.97%; and reinforced with ultra-fine glass fiber felt, 1:1 dilution with ethanol as the thinner, the density of the composite material is 0.06 g/cm³, the thermal conductivity is 0.019 W/(m·K), and the compressive strength is 0.106 MPa , Water absorption rate 4.09%.

Key Words: SiO₂ aerogel; Low density; Low thermal conductivity; Composite material; Mechanical properties; Insulation performance

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 隔热材料 1

1.2.1 隔热材料的分类 1

1.2.2 隔热材料的研究现状 2

1.3 SiO₂气凝胶隔热复合材料的研究进展 2

1.3.1隔热用气凝胶材料 3

1.3.2 SiO₂气凝胶的制备 3

1.3.3 SiO₂气凝胶的隔热机理 5

1.3.4 SiO₂气凝胶的性质和应用 6

1.3.5 纤维增强SiO₂气凝胶隔热复合材料 8

1.4 研究目的与内容 9

1.4.1 研究目的 9

1.4.2 研究内容 9

第二章 实验材料及方法 10

2.1 实验原料及设备 10

2.1.1 实验原料 10

2.1.2 实验设备 10

2.2 实验方法 11

2.2.1 酸碱两步法制备气凝胶复合隔热材料 11

2.3 测试表征方法 12

2.3.1 表观密度 12

2.3.2 吸水率 12

2.3.3 热导率 12

2.3.4 抗压强度 12

2.3.5 微观形貌分析 13

2.3.6 孔结构分析 13

第三章 实验结果及分析 14

3.1 增强材料纤维选择 14

3.2 干燥方式 15

3.3 凝胶时间和老化时间 16

3.4 密度、热导率以抗压强度及分析 17

3.5 吸水率分析 22

3.6 微观形貌分析 22

3.7 孔结构分析 25

第四章 结论与展望 27

4.1 结论 27

4.2 展望 28

参考文献 29

致谢 32

绪论

1.1 引言

硅的导热系数很低，当表观密度很低，孔洞率很高时能有效隔热，SiO₂气凝胶热导率也极低，其隔热效果得益于极低表观密度和内部大量孔洞。因气凝胶材料内的平均孔径(＜50 nm)小于空气分子的平均自由程(70 nm)，且固含量相当低，能有效抑制热传导，从而使得气凝胶具有特别低的导热系数(可以达到0.013 W/(m·K)^[1]。因优异的性能，气凝胶作为隔热材料广泛应用于建筑保温等许多领域^[2]。目前密度约为100 kg/m³的气凝胶应用最多，而对于民用建筑室内墙体保温材料，需要同时满足低热导率和低密度要求。目前市场上的SiO₂气凝胶产品多为复合产品，不过其密度偏大，综合性能较差，应用市场面窄，迫切需要低密度及综合性能优异的SiO₂气凝胶复合隔热材料来满足市场需求。

本课题旨在通过溶胶-凝胶法，制备出A级防火、密度小于100 Kg/m³、热导率小于0.04 W/(m·K)、吸水率小于5%，拉伸强度和抗压强度均大于0.1 MPa的SiO₂气凝胶复合材料产品，以满足航空航天领域对高性能轻质隔热材料的迫切需求。

1.2 隔热材料

随着世界经济的发展，能源危机早就成为了一个世界性的问题。通过采用新型技术，研究一种高效新型环保隔热材料无疑是解决当前能源危机、减缓生态环境恶化最有效的措施之一。良好的隔热保温材料在工业中应用，这将不但有助于减少能源消耗、降低生产成本，而且大大减薄了隔热层厚度，从而减小设备体积，有着巨大的经济效益。

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