一種超高強(qiáng)度的耐高溫絕熱材料-莫來(lái)石氣凝膠

熱設(shè)計(jì) 2023-11-30

來(lái)源：Journal of the European Ceramic Society

原文：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.10.048

01 背景介紹

先進(jìn)的保溫材料是發(fā)展航空航天、新能源汽車(chē)等軍民前沿領(lǐng)域的關(guān)鍵。超高溫陶瓷(UHTCs)金屬碳化物、氮化物和硼化物等以其優(yōu)良的性能（熔點(diǎn)高(2700℃以上)、機(jī)械強(qiáng)度高），在高溫領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。然而，高密度和高導(dǎo)熱性能進(jìn)一步限制了它們的發(fā)展發(fā)展為高效絕熱材料。因此許多學(xué)者致力于開(kāi)發(fā)低密度，高耐熱性好，導(dǎo)熱系數(shù)低的材料。多孔陶瓷以其密度低、導(dǎo)熱系數(shù)低、孔隙率高、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在保溫材料中占有重要地位。近年來(lái)，ZrB₂、ZrC、ZrB₂- SiC、ZrC- SiC等多孔陶瓷材料得到了發(fā)展，具有孔隙率高(微米級(jí))、抗壓強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。雖然多孔陶瓷被認(rèn)為是優(yōu)良的隔熱材料，但其導(dǎo)熱系數(shù)仍然有點(diǎn)高。例如，據(jù)報(bào)道，85%孔隙率的ZrC多孔陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)為0.94 W/(m?K)。相比在多孔陶瓷中，氣凝膠具有納米級(jí)的孔徑分布，其平均自由程(~ 50 nm)小于空氣的平均自由程(~ 69 nm)，因此空氣分子很難通過(guò)氣凝膠。氣凝膠的多孔性降低了固體和氣體的導(dǎo)熱系數(shù)分別，因而具有比多孔陶瓷更低的導(dǎo)熱系數(shù)。Al₂O₃-SiO₂氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)在0.027 ~ 0.049 W/(m·K)之間，熱導(dǎo)率低于多孔陶瓷。然而，弱的力學(xué)性能和氣凝膠的耐溫性不足嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。這是因?yàn)闅饽z具有類(lèi)似于珍珠鏈的三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其納米顆粒由狹窄的粒間頸連接。這種低效的連接導(dǎo)致了納米顆?；沾蓺饽z的脆性。此外，由于小納米顆粒具有較高的表面能，在高溫下，嚴(yán)重的顆粒團(tuán)聚和孔隙坍塌會(huì)導(dǎo)致氣凝膠的災(zāi)難性破壞，包括結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、強(qiáng)度損失、體積收縮，從而完全喪失保溫性能。例如，Al₂O₃氣凝膠具有耐高溫和低導(dǎo)熱性，但在1000℃以上的高溫下容易發(fā)生晶轉(zhuǎn)變和晶粒生長(zhǎng)，導(dǎo)致納米孔結(jié)構(gòu)破壞而失效。發(fā)現(xiàn)二元Al₂O₃-SiO₂氣凝膠可以抑制Al₂O₃在高溫下的相變Al₂O₃氣凝膠的耐熱性可提高到1200℃，而無(wú)機(jī)氣凝膠的耐熱性很難突破1200℃，因此，提高氣凝膠的力學(xué)性能和耐溫性是確保其作為隔熱材料實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。

02 成果掠影

近期，南京工業(yè)大學(xué)崔升教授團(tuán)隊(duì)制備了一種新型的莫來(lái)石氣凝膠，并詳細(xì)研究了樣品的高溫演變過(guò)程。該團(tuán)隊(duì)采用溶膠-凝膠法結(jié)合CO₂超臨界干燥技術(shù)制備了RF/Al₂O₃-SiO₂有機(jī)/無(wú)機(jī)前驅(qū)體氣凝膠。在氬氣氣氛中，經(jīng)1400℃高溫?zé)崽幚? h，在Al₂O₃和SiO₂中進(jìn)行莫來(lái)石化，得到莫來(lái)石氣凝膠。所得莫來(lái)石氣凝膠呈現(xiàn)出“珍珠項(xiàng)鏈”型三維多孔網(wǎng)絡(luò)，BET比表面積高達(dá)481 m²/g。莫來(lái)石氣凝膠的抗壓強(qiáng)度高達(dá)15.5 MPa，遠(yuǎn)高于已有報(bào)道的陶瓷氣凝膠。所得莫來(lái)石氣凝膠具有優(yōu)良的保溫性能，經(jīng)1300℃丁烷噴槍考核10 min，質(zhì)量損失僅為2.5%，表明其在空氣條件下具有優(yōu)良的抗氧化性能。研究成果以“Rational design of a novel mullite aerogel with extremely high mechanical strength and anti-oxidation behavior for advanced thermal protection in extreme environments”為題發(fā)表于《Journal of the European Ceramic Society》。

03 圖文導(dǎo)讀

圖1 (a)示意圖的合成路線(xiàn)莫來(lái)石氣凝膠，(b)照片的氣凝膠樣品在不同的熱處理溫度以及線(xiàn)性收縮和質(zhì)量損失百分比不同鋁/硅摩爾比的溫度范圍(c)室溫~800℃和(d)室溫~1400℃。

圖2 不同熱處理溫度和不同Al/Si摩爾比下樣品的XRD模式。

圖3 在不同溫度下流動(dòng)氬氣（a、b）干燥、（c、d）800℃/3h、（e、f）1400℃/5h下熱處理的最佳RFAS84樣品的SEM圖像，以及CAS84-1400的（g~j）EDS映射圖像。

圖4 RFAS84樣品在流動(dòng)氬氣條件下的(a) TG/DSC曲線(xiàn)，RFAS84樣品的(b) FT-IR光譜，不同熱處理溫度下RFAS84樣品的(c)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，(d)為莫來(lái)石相的晶體結(jié)構(gòu)（黃色、紅色、粉紅色分別代表硅、O和鋁原子）。