刘岩1

吉林建筑工程学院学士学位论文开题报告
姓名：刘岩专业：无机非金属材料导师：孙晶年级：03级开题日期：2007.04
一、课题名称
二氧化硅气凝胶隔热复合材料的制备与应用
二、课题来源及研究的目的和意义
（1）、课题来源：自选
（2）、研究的目的:
孔径分布在2～50nm 范围的多孔材料即称为介孔材料. 这类材料具有密度小、孔隙率高、比表面积大、对气体的渗透性和选择透过性较好等优点,特别是当孔洞尺寸足够小时,同纳米粒子一样会表现出明显的尺寸效应和表面效应. 若能通过化学的或物理的方法将纳米尺度的金属或非金属粒子组装进介孔材料的孔洞内,就形成了介孔复合材料.
此时,由于纳米颗粒/ 介孔固体孔壁间的界面耦合作用以及孔洞的限域效应等,使得这种介孔复合体将不仅具有纳米颗粒和介孔材料的某些特性,而且更具有了一系列特殊性能. 人们在不断努力寻找品质优良的介孔材料过程中,发现氧化硅气凝胶是一种应用前景非常广阔的新型纳米介孔固体材料.
气凝胶通常是指以纳米量级超微颗粒相互聚结构成纳米多孔网络结构,并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料. 早在三十年代初斯坦福大学Kistler就通过水解水玻璃的方法得到了SiO2气凝胶,只是由于这种方法的制备工艺复杂和产品纯化困难才未得以发展. 八十年代以来,随着溶胶- 凝胶法研究的深入和超临界干燥技术的逐步完善,使得气凝胶材料的制备、特性和应用的研究得以长足发展.
目前,所制备的气凝胶已不少于五十多种,气凝胶材料的孔隙率也可高达99. 8 % ,孔洞尺寸1～100nm ,比表面积高达200～1000m2/ g ,而密度则可在3～500kg/ m3之间变化. 正是由于气凝胶具有特殊的结构和性质,使它成为当今多种学科的研究热点,美国已将它列为九十年代十大热门科学技术之一.
（3）、研究的意义
所谓复合材料是将两种或两种以上，具有不同性质的材料，用某种工艺方法均匀地合成为一体而形成的一种新的材料。

复合材料是当今实现材料性能设计的一个重要途径，通过材料的“复合”，可以使新的复合材料在性能上不仅兼备原来材料各自的优点，而且在某些性能上会远远超出原有组成材料的性能，这将适应当今新技术革命对新材料所提出的更多更高的要求。

工业及民用领域
高性能的气凝胶隔热复合材料可以广泛地应用于工业及民用领域,如石化行业、化工行业、冶金行业等等。

在这些领域中,管道、炉窑及其它热工设备普遍存在,用气凝胶隔热复合材料替代传统的保温材料对它们进行保温,可以大大减少热能损失,提高热能利用率。

在民用领域,具有高度透光率并能有效阻止高温热辐射的掺杂,SiO2气凝胶可以用作太阳能集热器及其它集热装置的保温隔热材料,大大提高其实用性。

用热导率极低的掺杂气凝胶取代聚氨酯泡沫作为冰箱等低温系统的隔热材料,可以防止该材料内含有大量氟里昂气体泄漏破坏大气臭氧层,从而保护人类的生存环境。

在建材行业,气凝胶玻璃作为一种新型建筑材料,具有很好的热稳定性、耐热冲击性以及隔热保暖性,可以替代传统的矿物棉,使房屋既隔热又保暖。

如果将其用于高层建筑,则可取代一般幕墙玻璃,大大减轻建筑物自重,并能起到防火作用。

航空航天及军事领域
与传统隔热材料相比,具有纳米孔的SiO2气凝胶隔热复合材料可以用更轻的质量、更小的体积达到等效的隔热效果。

这一特点在航空、航天应用领域具有举足轻重的优势,例如,飞机上记录飞行状况数据的黑匣子已用该材料作为隔热层。

英国“美洲豹”战斗机的机舱隔热层采用的也是该材料。

另外,它还可以用作高温燃料电池的隔热层。

美国NASA在“火星流浪者”的设计中,也用过SiO2气凝胶隔热复合材料作为保温层,用来抵挡火星夜晚的超低温。

国内我们也已将该材料成
功应用于高能粒子加速器上的隔热。

在军事方面,目前我国海军核潜艇、蒸汽动力导弹驱逐舰的核反应堆、蒸发器、锅炉以及复杂的高温蒸汽管路系统均采用普通纤维材料(玻璃纤维、硅酸铝纤维等) 作为隔热材料,这些材料的热导率随温度的升高而急剧升高,隔热效果不是太好,极大地影响了它们的作战能力。

SiO2 气凝胶隔热复合材料在核潜艇上的应用可以有效降低普通隔热材料的用量,增大舱内的使用空间,同时降低舱内温度,有效改善各种工作环境。

因此, 具有优良综合性能的SiO2气凝胶隔热复合材料一旦问世,就将在航空航天及军事领域得到广泛的应用。

其它领域
目前发达国家的高层或超高层建筑的主体大多采用钢结构,钢结构耐火性能差,如不采取有效的防火保护措施,一旦发生火灾,结构很容易遭到破坏,“911”事件中美国世贸大厦被烧毁就是最好的例证。

将SiO2气凝胶隔热复合材料用于钢结构防火不但可以延长防火时间,而且高温下也不会释放出对人体有害的物质,属于全绿色防火材料,因而倍受人们青睐。

此外,SiO2气凝胶隔热复合材料由于具有较低的表观密度和热导率以及较好的耐高温性能,可以用作高效隔热消声材料。

三、国内外在该方向的研究现状及分析
气凝胶的热传导由气态传导、固态传导和热辐射传导组成。

由于SiO2气凝胶是一种由胶体粒子或高聚物分子相互交联构成的具有空间网络结构的轻质纳米多孔材料,其孔隙率高达80 %～9918 % ,典型孔隙尺寸小于50nm ,网络胶体颗粒尺寸3～20nm ,因而有效地限制了固态热传导和气态热传导,使其在常温下具有极低的热导率。

气凝胶的热辐射为发生在3～5μm 区域内的红外热辐射,其热辐射热导率随着温度升高而迅速增加, 如果在SiO2气凝胶材料中掺入遮光剂(如炭黑、TiO2 等) ,则由红外热辐射引起的热传导作用将大大减小。

这种加有遮光剂的粉末状、块状气凝胶在室温常压下的热导率分别达01018W/ m ·K 和01012W/ m ·K,在真空条件下可低达01004 W/ m·K,是目前隔热性能最好的固态材料,具有其它传统隔热材料无与伦比的优越性。

因此,从上世纪90 年代起,国内外材料科学家纷纷致力于SiO2气凝胶隔热复合材料的研制。

我国在这方面的研究起步比较晚,西安交通大学、同济大学、北京科技大学等单位在气凝胶复合材料的制备与运用方面做了大量工作,近10 年发表的相关文献有50 多篇。

美国NASA Ames 研究中心Suan White 以硅酸铝耐火纤维作为骨架,将其与SiO2 气凝胶复合,使得复合后材料的导热系数下降50 %以上。

但由于耐火纤维较粗,体积密度较大,它的导热系数仍不能达到理想的程度。

并且,从1998 年起硅酸铝耐火纤维已被欧共体列为第二类致癌物质而逐步被禁用,因此人们又开始寻找新的解决方法。

近年来,比利时一家耐火材料公司以SiO2气凝胶粉末和蛭石片为原料, 制备出夹芯状的隔热制品。

该制品能耐1000℃的高温,常温下的导热系数为01025W/ m·k ,800 ℃下的导热系数为01051W/ m·k ,密度为330～400kg/ m3 , 该材料在国际市场上具有很好的前景。

国内倪文等以硬硅钙石二次粒子作为骨架,将其与二氧化硅气凝胶复合,并在降低辐射传热方面进行改性,制备出能在高温条件下工作、导热系数低于静止空气的SiO2气凝胶隔热复合材料。

四、本课题的主要研究内容
主要研究二氧化硅气凝胶的制备和隔热复合材料的制备，二氧化硅气凝胶的主要物理和化学性能和它在现在科技上的应用。

对二氧化硅气凝胶隔热复合材料的制备方法及其应用前景进行总结并作了适当的评述;探讨该领域今后的研究方向。

五、课题研究方案及进度安排，预期达到的目标
(1) 研究方案
制备湿凝胶一般采用溶胶2凝胶法,该方法因反应条件温和、产品纯度高、结构的介观尺寸可以控制、操作简单引起众多研究者的兴趣。

为了降低SiO2气凝胶的热辐射传导,Lee D等采用炭黑作为红外阻隔剂在制备SiO2气凝胶的过程中进行掺杂。

掺杂后SiO2气凝胶可以有效抑止辐射热传导,但由于炭黑不耐高温,因此掺杂后的SiO2气凝胶使用温度不能超过300℃。

同时还存在强度低、韧性差的缺点。

Wang J等使用钛白粉作为红外阻隔剂对SiO2气凝胶进行掺杂,大大提高了掺杂后的SiO2气凝胶使用温度,解决了SiO2气凝胶的高温使用问题。

(2) 进度安排
(3)预期达到的目标：制得高浓度二氧化硅气凝胶。

主要参考文献:
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