一種超高強度的耐高溫絕熱材料-莫來石氣凝膠

熱設計 2023-11-30

來源：Journal of the European Ceramic Society

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

01 背景介紹

先進的保溫材料是發展航空航天、新能源汽車等軍民前沿領域的關鍵。超高溫陶瓷(UHTCs)金屬碳化物、氮化物和硼化物等以其優良的性能（熔點高(2700℃以上)、機械強度高），在高溫領域有著重要的應用。然而，高密度和高導熱性能進一步限制了它們的發展發展為高效絕熱材料。因此許多學者致力于開發低密度，高耐熱性好，導熱系數低的材料。多孔陶瓷以其密度低、導熱系數低、孔隙率高、比強度高等特點，在保溫材料中占有重要地位。近年來，ZrB₂、ZrC、ZrB₂- SiC、ZrC- SiC等多孔陶瓷材料得到了發展，具有孔隙率高(微米級)、抗壓強度高、熱穩定性好等特點。雖然多孔陶瓷被認為是優良的隔熱材料，但其導熱系數仍然有點高。例如，據報道，85%孔隙率的ZrC多孔陶瓷的導熱系數為0.94 W/(m?K)。相比在多孔陶瓷中，氣凝膠具有納米級的孔徑分布，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氣凝膠。氣凝膠的多孔性降低了固體和氣體的導熱系數分別，因而具有比多孔陶瓷更低的導熱系數。Al₂O₃-SiO₂氣凝膠導熱系數在0.027 ~ 0.049 W/(m·K)之間，熱導率低于多孔陶瓷。然而，弱的力學性能和氣凝膠的耐溫性不足嚴重阻礙了其實際應用。這是因為氣凝膠具有類似于珍珠鏈的三維結構網絡，其納米顆粒由狹窄的粒間頸連接。這種低效的連接導致了納米顆粒基陶瓷氣凝膠的脆性。此外，由于小納米顆粒具有較高的表面能，在高溫下，嚴重的顆粒團聚和孔隙坍塌會導致氣凝膠的災難性破壞，包括結構開裂、強度損失、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熱性，但在1000℃以上的高溫下容易發生晶轉變和晶粒生長，導致納米孔結構破壞而失效。發現二元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℃，而無機氣凝膠的耐熱性很難突破1200℃，因此，提高氣凝膠的力學性能和耐溫性是確保其作為隔熱材料實際應用的關鍵。

02 成果掠影

近期，南京工業大學崔升教授團隊制備了一種新型的莫來石氣凝膠，并詳細研究了樣品的高溫演變過程。該團隊采用溶膠-凝膠法結合CO₂超臨界干燥技術制備了RF/Al₂O₃-SiO₂有機/無機前驅體氣凝膠。在氬氣氣氛中，經1400℃高溫熱處理5 h，在Al₂O₃和SiO₂中進行莫來石化，得到莫來石氣凝膠。所得莫來石氣凝膠呈現出“珍珠項鏈”型三維多孔網絡，BET比表面積高達481 m²/g。莫來石氣凝膠的抗壓強度高達15.5 MPa，遠高于已有報道的陶瓷氣凝膠。所得莫來石氣凝膠具有優良的保溫性能，經1300℃丁烷噴槍考核10 min，質量損失僅為2.5%，表明其在空氣條件下具有優良的抗氧化性能。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”為題發表于《Journal of the European Ceramic Society》。

03 圖文導讀