新型导弹、航天飞行器热防护系统以及军用热电池隔热保温结构等迫切需求耐高温、轻质、高效隔热以及良好力学性能和使用性能的新型隔热材料和结构。 本文比较系统地研究了纳米多孔、气凝胶及其高效隔热复合材料的制备工艺、结构和性能初步开展了气凝胶高效隔热复合材料的成型、加工性能以及隔热效果等应用研究。 其主要结果如下依据溶胶一凝胶理论结合超临界干燥工艺制备了纳米多孔气凝胶研究了硅源、催化剂、水以及溶剂等参数对气凝胶结构和性能的影响规律。 发现以正硅酸乙醋为硅源采用酸一碱两步催化法可有效控制气凝胶的孔隙结构和性能。 气凝胶主要以si-o-si键所构成孔隙率可达以上基本粒子的粒径约为大部分孔径集中在范围常温比表面积为扩其纤细的骨架颗粒可有效降低固态热导率纳米级孔径可有效抑制气态热传导和对流传热。 这为稳定制备新型高效气凝胶隔热复合材料奠定了坚实的基础。 以无机陶瓷纤维为增强相与溶胶混合制备了气凝胶隔热复合材料。 研究了纤维种类、纤维体积分数以及溶胶配比等因素对气凝胶复合材料力学性能和隔热性能的影响规律。 发现纤维直径愈小渣球含量愈少高温下对红外辐射的阻挡效果越有利气凝胶复合材料的热导率越低。 随着纤维体积分数增加材料的拉伸和弯曲强度先增大后减小当体积分数为时强度最高高温热导率则逐渐降低。 随着溶胶中曰摩尔比增大一材料的拉伸、弯曲和压缩强度逐渐降低热导率则变化不明显。 确定的较为优化工艺参数为莫来石纤维为增强相纤维体积分数为一甘摩尔比为一。 制备的气凝胶隔热复合材料具有耐高温最高使用温度达℃、轻质约、高效隔热和良好的力学性能等特点其℃和℃时的热导率为和分别是相应纤维隔热材料热导率的和常温和℃的弯曲强度分别为和。 对气凝胶隔热复合材料微观形貌分析表明气凝胶与无机陶瓷纤维界面结合良好纤维与纤维之间的孔隙被具有高孔隙率、纳米孔径的气凝胶充分填充并隔开这是气凝胶复合材料同时具有良好力学性能和超强隔热效果的主要原因。 以铝醇盐为铝源制备了纳米多孔气凝胶研究了铝源、水含量、溶剂以及鳌合剂等参数对纳米多孔气凝胶结构和性能的影响规律。 结果表明采用仲丁醇铝为铝源、水解温度为℃时可获得稳定澄清的溶胶随着乙醇含量的增加溶胶的凝胶时间逐渐延长气凝胶的密度和强度逐渐降低当水含量相对较大时摩尔比为水解速率较快不易得到稳定透明的al2o3溶胶适量的乙酞乙酸乙酷可有效控制仲丁醇铝水解缩聚速率提高溶胶的稳定性。 气凝胶主要为多晶勃姆石相微观形貌为片叶状或针叶状的颗粒结构这种特殊结构可降低其表面体扩散抑制高温烧结有效地提高其耐高温性能。 以莫来石纤维为增强相与溶胶混合首次制备了耐高温最高使用温度达℃的气凝胶隔热复合材料。 由于气凝胶在高温下仍保持纤细的纳米多孔结构因而气凝胶隔热复合材料在高温仍具有较低的热导率当热面温度为℃时热导率为比莫来石纤维隔热材料热导率降低了47.5%，进一步提高了气凝胶隔热复合材料的耐温性能和高温隔热效果。 初步开展了气凝胶复合材料的应用研究突破了大型复杂异型隔热构件的成型技术和加工技术如切割、钻孔、剪、裁、磨等为气凝胶隔热复合材料结构在新型导弹和航天飞行器以及军用热电池隔热保温结构上的应用提供了保证。 制备的sio2气凝胶隔热复合材料及构件通过了导弹舵机舱隔热效果考核制备的军用热电池隔热套在相同厚度下保温效果明显优于现役保温隔热材料同时还显著延长了热电池的热寿命放电时间延长近40%。
