隔熱材料,又稱熱絕緣材料,在許多領(lǐng)域,包括航空航天工業(yè)都有廣泛應(yīng)用,同時具有重要的節(jié)能價值。新型納米隔熱材料具有低于同溫度下的靜止空氣的熱導(dǎo)率,被稱作超級隔熱材料。
熱量在隔熱材料中的傳遞途徑,主要有固相導(dǎo)熱、氣相導(dǎo)熱和輻射傳熱三種,具有低熱導(dǎo)率的納米超級隔熱材料應(yīng)具備以下特征:構(gòu)成固相骨架材料的密度和熱導(dǎo)率應(yīng)盡量低;材料的孔徑結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足孔徑小,且分布集中的要求;構(gòu)成骨架的納米顆粒之間的接觸狀態(tài)應(yīng)最大限度降低氣固耦合傳熱。
目前,文獻報道較多的有SiO2納米超級隔熱材料。制備SiO2納米超級隔熱材料對孔結(jié)構(gòu)的控制目標(biāo)是使該材料具有均勻的孔徑;孔體積應(yīng)盡量大;同時,大孔所占體積相對少。據(jù)報道,可采用酸堿兩步催化法制備SiO2納米超級隔熱材料。SiO2納米超級隔熱材料的孔結(jié)構(gòu)與所用催化劑和溶劑中的水用量有關(guān);SiO2骨架顆粒的大小及分布與催化劑的濃度相關(guān)。所獲得的SiO2納米超級隔熱材料由納米顆粒相互連接形成鏈狀骨架,納米顆粒的直徑在10~20 nm 之間,具有比較均勻的粒徑分布。采用酸堿兩步催化工藝,可以精確控制催化劑及水的比例,能夠調(diào)控SiO2納米超級隔熱材料納米顆粒的生長及粒徑分布,使SiO2納米超級隔熱材料的微觀結(jié)構(gòu)均勻性得到明顯的提高。
最近,我國航天材料及工藝研究所進一步優(yōu)化了納米超級隔熱材料的組成與結(jié)構(gòu),在酸堿兩步法制備SiO2納米超級隔熱材料的基礎(chǔ)上,制備了具有均勻孔結(jié)構(gòu)的SiO2-Al2O3納米超級隔熱材料。傳統(tǒng)制備SiO2-Al2O3復(fù)合納米超級隔熱材料的方法是分別配置SiO2和Al2O3溶膠,然后將兩者按比例混合,經(jīng)凝膠、老化、干燥后得到。由于Al2O3前驅(qū)體的水解速率遠(yuǎn)高于SiO2前驅(qū)體,使得所獲得的SiO2-Al2O3微觀結(jié)構(gòu)不均勻。為克服上述方法的缺點,在實驗過程中采用納米耐磨鋁粉體為Al2O3的前驅(qū)體,采用與SiO2納米超級隔熱材料相似的工藝制備SiO2-Al2O3納米超級隔熱材料。實驗中采用的納米耐磨鋁粉體直徑約為10~20nm,與SiO2納米超級隔熱材料骨架的尺寸在同一量級,控制凝膠的條件及納米耐磨鋁粉體加入的時間,使耐磨鋁納米顆粒均勻地嵌入到SiO2納米骨架中,形成與SiO2納米超級隔熱材料相似的“納米顆粒堆積”多孔結(jié)構(gòu)。
檢測表明,該所所研發(fā)的SiO2-Al2O3復(fù)合納米超級隔熱材料,最高使用溫度可達(dá)到1200℃,在室溫和高溫條件下均表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱性能,而且也突破了大尺寸(最大達(dá)600mm) 復(fù)雜形狀部件的制造工藝技術(shù)。該材料在25℃常壓條件下的熱導(dǎo)率僅為0.02W/m.K,即使在800 ℃的高溫條件下,其熱導(dǎo)率也只有0.034W/m.K。在真空條件下,該材料的熱導(dǎo)率表現(xiàn)出明顯的下降趨勢,例如在25℃/104 Pa 下其熱導(dǎo)率僅為0.012 /m?K,比常壓下下降40% 以上,在5 Pa 條件下,甚至降至0.006/m.K, 下降幅度達(dá)到70%; 在800℃/6 Pa 條件下,其熱導(dǎo)率也僅為0.02W/m.K。