氣凝膠復(fù)合絕熱材料的制備與性能研究

氣凝膠復(fù)合絕熱材料的制備與性能研究

0氣凝膠與其他材料的復(fù)合氣凝膠是一種通過溶解凝膠技術(shù)和超聲波干燥技術(shù)制備的具有納米孔結(jié)構(gòu)的絕熱材料。由于具有納米孔結(jié)構(gòu)(1～90nm),使得氣凝膠在室溫常壓下的導(dǎo)熱系數(shù)比靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)還低。近年來,國(guó)內(nèi)外很多研究者對(duì)其進(jìn)行了大量研究。將氣凝膠用作絕熱材料,目前存在承壓能力差,易碎等缺點(diǎn)。因此許多研究者通過將氣凝膠與其它材料復(fù)合來為氣凝膠增強(qiáng)增韌。其中硬硅鈣石-氣凝膠和陶瓷纖維-氣凝膠是兩種主要形式。硬硅鈣石型硅酸鈣是具有優(yōu)良絕熱性能的傳統(tǒng)多孔絕熱材料,具有導(dǎo)熱系數(shù)小,環(huán)境友好,高強(qiáng)度,抗高溫等諸多優(yōu)點(diǎn),將氣凝膠與硬硅鈣石型硅酸鈣以及纖維材料進(jìn)行復(fù)合,可得到既具有一定機(jī)械強(qiáng)度,又具有很好絕熱性能的納米孔絕熱材料。導(dǎo)熱系數(shù)是絕熱材料的重要物性參數(shù),而試驗(yàn)測(cè)量幾乎是確定多孔介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的唯一方法。瞬態(tài)熱帶法的測(cè)量原理類似于瞬態(tài)熱線法更適合于固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量。本文為瞬態(tài)熱帶法設(shè)計(jì)了溫度環(huán)境和壓力環(huán)境,并對(duì)試驗(yàn)合成的絕熱材料樣品導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。1材料的制備及其熱物性質(zhì)測(cè)量SiO2氣凝膠試樣采用溶膠-凝膠工藝和超臨界干燥技術(shù)制備而成;硬硅鈣石-氣凝膠和陶瓷纖維-氣凝膠復(fù)合絕熱材料采用真空浸漬技術(shù)制備而成。材料的詳細(xì)的制備過程可參見文獻(xiàn)和。試樣的導(dǎo)熱系數(shù)采用瞬態(tài)熱帶法進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量原理參見文獻(xiàn)。如圖1所示,試驗(yàn)中,電流通過夾持在具有相同尺寸的兩塊試樣中間的金屬帶,熱帶溫度升高,其升高速率與被測(cè)試樣的熱物性參數(shù)有關(guān)。這就是瞬態(tài)熱帶法的基本原理。被測(cè)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算式為:這里P0是加熱功率,t是加熱時(shí)間,dT(t)/dln(t)是加熱數(shù)秒后溫升對(duì)ln(t)的斜率。2復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)采用瞬態(tài)熱帶法對(duì)三種試樣的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)試的溫度范圍為室溫至723K,壓力范圍為2Pa到大氣壓力,結(jié)果如圖2～圖7所示。圖2表明二氧化硅氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)并不是隨著材料密度的降低而降低,而是存在一個(gè)最佳密度,在此密度下,導(dǎo)熱系數(shù)最小。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的四階多項(xiàng)式擬合表明,室溫下此最佳密度為145kg/m3。這是因?yàn)槎趸铓饽z的孔隙率很高,并具有納米級(jí)固體骨架結(jié)構(gòu),與氣相導(dǎo)熱和輻射換熱相比,固相導(dǎo)熱對(duì)材料總體導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻(xiàn)很小。隨著材料密度的增大,雖然固相導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)有所增大,但氣相導(dǎo)熱系數(shù)和輻射換熱則會(huì)降低,X.Lu等人在研究有機(jī)氣凝膠時(shí)也發(fā)現(xiàn)了類似的情況。圖3表明隨著測(cè)試壓力的降低,二氧化硅氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低,在大約104Pa時(shí)已接近最低值,此后降低不再明顯。當(dāng)壓力小于104Pa時(shí),熱量的傳遞主要靠固相導(dǎo)熱和輻射換熱。這表明,常壓狀態(tài)下,氣相導(dǎo)熱是二氧化硅氣凝膠的主要傳熱方式,而固相導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)不大。比如,常溫下密度為114kg/m3的二氧化硅氣凝膠,固相和輻射對(duì)總體導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻(xiàn)僅為0.0041W/(m.K)。圖4表明,溫度升高時(shí),輻射換熱是二氧化硅氣凝膠的主要傳熱方式。隨著溫度的升高,二氧化硅氣凝膠的有效導(dǎo)熱系數(shù)顯著增大,這是因?yàn)槎趸铓饽z在3～8μm光譜范圍內(nèi)具有很強(qiáng)的透光性[氣圖5是不同密度下的硬硅鈣石-氣凝膠和陶瓷纖維-氣凝膠復(fù)合絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)。復(fù)合材料所用的硬硅鈣石型硅酸鈣和陶瓷纖維均為同一密度下的基體,硬硅鈣石型硅酸鈣的密度為107kg/m3,陶瓷纖維的密度為44.7kg/m3。結(jié)果表明,通過與氣凝膠的復(fù)合,硬硅鈣石型硅酸鈣和陶瓷纖維的導(dǎo)熱系數(shù)均得到了明顯的降低。兩種復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著復(fù)合體密度的變化規(guī)律與氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)隨自身密度的變化規(guī)律類似。同時(shí)也說明,采用不同密度的氣凝膠進(jìn)行復(fù)合時(shí),對(duì)復(fù)合體導(dǎo)熱系數(shù)的影響不大。圖6是不同測(cè)試壓力下,硬硅鈣石型硅酸鈣,二氧化硅氣凝膠,硬硅鈣石-氣凝膠和陶瓷纖維-氣凝膠材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比。測(cè)量結(jié)果表明,復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨測(cè)試壓力的變化規(guī)律與氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律類似。當(dāng)測(cè)試壓力降低時(shí),復(fù)合體的導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低,并在104Pa時(shí)接近最低值。當(dāng)壓力小于102Pa時(shí),硬硅鈣石氣凝膠復(fù)合體的導(dǎo)熱系數(shù)要高于硬硅鈣石型硅酸鈣的導(dǎo)熱系數(shù)。這是因?yàn)?此時(shí)氣體導(dǎo)熱已基本不起作用,熱量傳遞主要靠固相導(dǎo)熱和輻射換熱,復(fù)合材料的密度最大,因此它的導(dǎo)熱系數(shù)也最大。圖7為不同測(cè)試溫度下,硬硅鈣石型硅酸鈣,二氧化硅氣凝膠,硬硅鈣石-氣凝膠和陶瓷纖維-氣凝膠復(fù)合體導(dǎo)熱系數(shù)的對(duì)比。在整個(gè)測(cè)試溫度內(nèi),復(fù)合體的導(dǎo)熱系數(shù)都小于硬硅鈣石型硅酸鈣的導(dǎo)熱系數(shù)。這是因?yàn)閺?fù)合材料的密度幾乎是兩種材料的密度之和,根據(jù)輻射換熱的擴(kuò)散模型理論,較大的密度能夠顯著降低材料內(nèi)部的輻射換熱。3與理論模型的吻合情況采用瞬態(tài)熱帶法進(jìn)行材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量,是在一定的時(shí)間間隔內(nèi)估計(jì)測(cè)量到的熱帶表面溫升與時(shí)間對(duì)數(shù)的斜率,然后采用式(1)計(jì)算材料的導(dǎo)熱系數(shù)。測(cè)量誤差與溫度測(cè)量、熱源的穩(wěn)定性以及試驗(yàn)條件與理論模型的吻合狀況有關(guān)。較難估計(jì)的主要誤差是實(shí)際情況與理論模型之間存在一定區(qū)別,比如,熱帶具有一定厚度而且非零熱容,熱帶和試樣之間以及熱電偶和試樣之間存在接觸熱阻,另外試樣尺寸有限,在試樣外部可能存在散熱損失等。詳盡的誤差分析參見我們以前的研究。分析表明熱帶非零熱容和試樣有限尺寸是引起測(cè)量誤差的主要因素,本文認(rèn)為所存在的誤差都是獨(dú)立存在的,并單獨(dú)考慮,然后采用誤差傳遞原則進(jìn)行分析,可以確定,室溫下的測(cè)量誤差小于3%。4復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)采用瞬態(tài)熱帶法在不同溫度和不同壓力下對(duì)二氧化硅氣凝膠及其復(fù)合絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量,可得到以下主要結(jié)論:(1)二氧化硅氣凝膠存在具有最小導(dǎo)熱系數(shù)的最佳密度,室溫常壓下此最佳密度約為145