纳米SiO2在保温绝热材料中的应用研究
二氧化硅气凝胶在保温隔热领域中的应用
二氧化硅气凝胶在保温隔热领域中的应用摘要】气凝胶是一类纳米多孔材料，其内部孔隙由气体代替溶剂填充，孔隙率高、密度低，因此，其作为一种轻固体材料引起研究者极大的兴趣。
鉴于二氧化硅的材质和二氧化硅气凝胶纳米孔高气体填充率的特质，所以二氧化硅气凝胶固体和孔内气体导热率低，隔热性能优异，室温导热系数低至0.012W/（m·K）。
本文将介绍二氧化硅气凝胶的制备方法及在隔热领域中的应用进展。
【关键词】二氧化硅；气凝胶；保温隔热；领域应用一、二氧化硅气凝胶的性能特点气凝胶行业目前处在产业化大发展期，价格是最大瓶颈。
随着国家对建筑节能中“高效保温”与“防火安全”的高度重视，使得二氧化硅气凝胶在建筑节能领域中的更多应用成为可能。
和现有的保温材料相比，二氧化硅气凝胶保温隔热复合材料具有以下优异效果：①兼顾“高效保温”与“防火安全”。
②较好的透气性。
由于水泥石干燥收缩和固化时内部积存压力的共同作用，在固化后气凝胶与包裹的水泥基体有数微米的空隙改善水泥砂浆/混凝土内部毛细孔通道，且基体中含大量均匀分布的孔洞结构，透气性好。
③隔音效果佳。
由于二氧化硅气凝胶的低声速特性，用它制备的复合材料也还是一种较好的声学延迟或高温隔音材料，具备有效隔音的功能。
二、二氧化硅气凝胶在保温隔热领域中的应用（一）气凝胶粉体或颗粒由于气凝胶粉体材料不易成型，二氧化硅气凝胶粉末一般不单独作为保温隔热材料使用。
但是它可以作为功能结构材料的夹层，填充层使用；或者与其他材料复合和粘结作为保温隔热材料来使用。
二氧化硅粉末可以添加到某些涂料中，复合成为具有保温效果的保温隔热涂料。
河南工业大学何方等将二氧化硅气凝胶微球加入到纯丙乳液中，混合其他助剂制成二氧化硅气凝胶隔热涂料，并将它涂覆于普通马口铁基材上，制得隔热涂层。
所得的涂层表面光滑平整，附着力强，硬度好，耐水耐热性能较好，隔热性能突出，可以很好的满足隔热涂料的基本需要。
（二）气凝胶毡气凝胶毡是将二氧化硅气凝胶在湿溶胶阶段与纤维增强材料复合，然后经过凝胶和干燥制备得到气凝胶毡。
纳米二氧化硅绝热材料研究进展
收稿日期：２０１０－１０－２６作者简介：吴春蕾（１９７２—），男，山东人，高级工程师，博士．第４卷 第４期材 料 研 究 与 应 用Ｖｏ１．４，Ｎｏ．４２ ０ １ ０年１ ２月ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ Ｄｅｃ．２ ０ １ ０文章编号：１６７３－９９８１（２０１０）０４－０４９１－０４纳米二氧化硅绝热材料研究进展吴春蕾，杨本意，刘 莉，康 旭（广州吉必盛科技实业有限公司，广东广州 ５１０６６３）摘 要：介绍了纳米二氧化硅的种类及基本特点，综述了纳米二氧化硅绝热材料的应用研究进展，讨论了影响纳米二氧化硅绝热材料绝热性能的因素，对纳米二氧化硅绝热材料的发展趋势进行了展望．关键词：绝热材料；纳米二氧化硅；研究进展中图分类号：ＴＢ３８３．１ 文献标识码：Ａ绝热材料是保温、保冷、隔热材料的总称，是指对热流具有显著阻抗性的材料或材料复合体．一般导热系数小于０．１７Ｗ／（ｍ·Ｋ）的材料被称为绝热材料，建筑上还要求表观密度应小于１０００ｋｇ／ｍ３，抗压强度应大于０．３ＭＰａ［１］．绝热材料兼具保温、保冷和隔热的功能，是能源开发、低碳工程的重要组成，是与生态、环境保护和可持续发展密切相关的行业．绝热材料的品种很多，按材质分类，可分为无机绝热材料、有机绝热材料和金属绝热材料三大类．无机绝热材料主要包括岩矿棉、膨胀蛭石、氧化硅基等产品；有机类绝热材料主要包含树脂泡沫塑料和海绵橡塑保温材料等产品．相对有机类绝热材料，无机绝热材料具有环保、可持续优势，特别是随着石油价格高涨，以及人们对绿色节能、低碳环保的日益重视，无机绝热材料的发展也驶入快车道．纳米二氧化硅绝热材料是无机绝热材料的重要品种，主要由纳米二氧化硅、石英玻璃纤维和纳米氧化钛组成［２］．纳米二氧化硅绝热材料中孔隙尺寸小于或接近空气中分子的平均自由程，具有无对流传热和热传导都非常小的特点，材料中添加的纳米氧化钛对热辐射有明显的散射作用，从而使纳米氧化硅绝热材料具有极低的导热率和优良隔热保温效果．１ 纳米二氧化硅的特点纳米二氧化硅按照制备方法主要分为气相二氧化硅、沉淀二氧化硅、二氧化硅气凝胶三类．１．１ 气相二氧化硅气相二氧化硅是出现最早，也是最早实现工业化的纳米颗粒之一．它是一种白色、松散、无定形、无毒、无污染的无机非金属材料，其粒径介于７～４０ｎｍ之间，具有高的比表面积（５０～４００ｍ２／ｇ）［３］．其一般由氯硅烷在氢氧火焰中进行高温水解（＞１０００℃）制得，原生颗粒冷却后聚集，形成支化的三维蓬松结构的产品（图１）．正是由于这种特殊的制备工艺和特殊结构，使得气相二氧化硅具有很低的固体传导率和空隙体积，该空隙体积与氧分子和氮分子的平均自由路程有相同的数量级，其热导率也随原生粒子平均粒径的减小而降低，使气相法二氧化硅呈现良好的热绝缘性．气相二氧化硅的另一个特点是纯度高（＞９９．８％），不含碱土金属等矿化物质，是一种耐高温、具有很好热稳定性的纳米材料，在８００℃下可以长时间保持其外观和微观形貌，即便１２００℃也可以短时间保持稳定．含有气相法二氧化硅的混合粉末或模压件在许多领域中得到应用，例如夜间储存热源，高温炉，管线，航空涡轮，厨房用辐射加热圈等．广州吉必盛和有关科研院校共同合作研制的气相二氧化硅绝热材料，在８００℃热导率λ低于０．０４Ｗ／ｍ·Ｋ［４］，是当前热导率最低的固态材料之一，与目前常用的绝热保温材料相比绝热效果提高５～１０倍，减少绝热层厚度４０％～６０％，是提高热能效率、实现节能降耗的新产品．图１ 气相二氧化硅电镜照片１．２ 沉淀二氧化硅沉淀二氧化硅一般由水玻璃和酸沉淀所得［５］，具有粒度小、比表面积大、孔隙率高、价格相对低廉等特点．但是相对于气相二氧化硅，其纯度比较低（约９３％），往往含有２％左右的碱土金属、酸根离子等杂质，并且含水率高，硅羟基的数目高．沉淀二氧化硅的上述特点使其用更多用于保温保冷，如果用到绝热材料的时侯，其绝热保温效果受到一定的影响，特别是高温使用的时侯，其热导率会显著升高，并且极易发生塌陷等情况．１．３ 二氧化硅气凝胶二氧化硅气凝胶是一种新型轻质纳米多孔材料，通常孔径小于５０ｎｍ，骨架颗粒为１～２０ｎｍ，比表面积最高可达８００～１０００ｍ２／ｇ，孔洞率可高达８０％～９９．８％［６］．图２是二氧化硅气凝胶的典型结构图．气凝胶热传导有３种途径，即气态传导、固态传导和热辐射传导．二氧化硅气凝胶的独特结构可有效地削减这３种传热途径．另外，二氧化硅气凝胶能耐高温，一般在８００℃下，结构、性能无明显变化，因此二氧化硅气凝胶在作为高温隔热材料方面具有无与伦比的优越性．当容积密度约为２００ｇ／Ｌ时可以得到最佳的热绝缘性，因为固体和气体热传导曲线在此点重叠达到最低点．尽管二氧化硅气凝胶的绝热性能卓越，但是相对气相二氧化硅而言，二氧化硅气凝胶制备中孔隙控制困难、溶剂去除工艺复杂、特别是大规模制备更加困难，限制了其大面积的应用推广．图２ 二氧化硅气凝胶模拟图２ 纳米二氧化硅绝热材料应用研究进展２．１ 建筑领域纳米二氧化硅绝热材料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［７］．该类绝热材料也可用在太阳能墙板构件中，将两块玻璃之间夹一层气相二氧化硅，然后把这墙板安在建筑物正面吸热墙外面，当阳光照到建筑物上，大部分可见光可透过二氧化硅层，但是热量却被隔在外面，这种透明结构的复合层比墙体具有更好的隔热效果，其相应研究也越来越引起人们关注和兴趣．２．２ 管道、炉窑、热炉等隔热保温在管道、等静压炉，轧钢加热炉、均热炉，高温陶瓷窑、高温锻造炉及其它热工设备中用气相二氧化硅或者二氧化硅气凝胶制备绝热复合材料，可以替代传统的保温材料，大大减少热能损失，并降低操作安全风险［８］．２９４材 料 研 究 与 应 用２ ０ １ ０２．３ 太阳能集热箱保温和冰箱低温隔热将纳米二氧化硅绝热材料应用于太阳能热水器的储水箱、管道和集热器，可使集热效率提高１倍以上，而热损失下降到３０％．我国目前拥有家庭太阳能热水器２０００万台以上，如果每台热水器使用０．１ｍ３的纳米绝热材料，则全国将有２００万ｍ３潜在市场［９］．用纳米多孔二氧化硅取代聚氨酯泡沫作为冰箱等低温系统的隔热材料，可以防止氟里昂气体破坏大气臭氧层，从而保护人类的生存环境．２．４ 航空航天及军事领域与传统绝热材料相比，纳米气相二氧化硅或二氧化硅气凝胶绝热材料可以用更轻的质量、更小的体积达到等效的隔热效果．这一特点使纳米气相二氧化硅或二氧化硅气凝胶在航空、航天应用领域具有举足轻重的优势．如用作航空发动机、太空探险工具的绝热，既起到了极好的绝热作用，又减轻了机体重量．目前，纳米二氧化硅气凝胶绝热材料已取得了一些实际应用，例如：机舱和飞机上的黑匣子已用该材料作为隔热层，也可用于火箭高温燃料电池的隔热层；美国ＮＡＳＡ在“火星流浪者”设计中，也曾用二氧化硅气凝胶材料作为保温层，用来抵挡火星夜晚零下１００℃的超低温；此外，美国还开发了一种二氧化硅气凝胶防热瓦，其对航天器的隔热性能比以往提高了１０～１００倍．这种防热瓦还可用于航天器防热瓦和燃料箱隔热层，其不仅具有大气再入隔热作用，还可以防止深冷燃料箱在发射台等待发射前结冰．不少高新武器向轻量化和高性能化发展，都需要用到绝热材料．核潜艇上的应用二氧化硅绝热材料可有效降低传统隔热材料的用量，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［１０］．我国也已成功将二氧化硅气凝胶绝热材料成功应用于高能粒子加速器上［１１］．３ 纳米二氧化硅绝热材料绝热性能的影响因素３．１ 纳米二氧化硅的容重和粒径容重是材料气孔率的直接反映，由于气相的导热系数通常均小于固相导热系数，所以绝热材料都具有很高的气孔率，即很小的容重．一般情况下，增大气孔率或减少容重都将导致导热系数的下降．大量封闭气孔材料的绝热性能也比具大量有开口气孔的要好一些．常温时，松散材料导热系数随着材料粒度减小而降低，粒度大时，颗粒之间的空隙距离增大，材料导热系数必然增大．对于纳米二氧化硅来讲，均具有超细的颗粒尺寸和较小容重，特别是气相二氧化硅和二氧化硅气凝胶，具有１５ｎｍ以下的尺寸和高的孔隙率，使其在绝热材料应用时，具备更好的绝热效果．３．２ 含湿率所有的绝热材料都具有多孔结构，容易吸湿．当含湿率大于５％～１０％时，湿分占据了原应被空气充满的部分气孔空间，引起材料有效导热系数明显升高．因此在制备纳米二氧化硅绝热材料的时侯，要注意控制粉体水份含量和后续制备过程中所用粘结材料溶剂中易挥发物的含量，进而获得孔结构完善、孔隙均匀的绝热材料．对于气相二氧化硅来讲，通常含水率低于１．５％，满足绝热材料制备水份要求．３．３ 填充气体的影响绝热材料中，大部分热量是从孔隙中的气体传导的．因此，绝热材料的热导率在很大程度上决定于填充气体的种类．低温工程中如果填充氦气或氢气，可作为一级近似，认为绝热材料的热导率与这些气体的热导率相当．３．４ 纤维分布在于各向异性的材料中，传热方向和纤维方向垂直时的绝热性能比传热方向和纤维方向平行时要好一些．纤维中如果有气孔，也会有助于绝热性能的提高．合适的长径比也会影响到绝热材料的性能．因此在选择纤维的时侯，要综合考虑上述各方面因素．４ 纳米二氧化硅绝热材料发展趋势纳米二氧化硅材料本身的热传导系数很低，当具有很高的孔洞率和比表面积，以及很小粒径和很低的体积密度时，能有效阻隔热量的固体传导及气体对流和传导．特别当孔径小于红外波长时绝热效果将有本质上的突变和提高．纳米二氧化硅气凝胶制备工艺仍较复杂，成本较高，因此其未来一段时间将集中应用到军事航天等特殊领域．另外，单一的二氧化硅气凝胶因强度低等原因还不能满足各种复杂工作环境的需要．寻求二氧化硅气凝胶绝热材料制备工艺上面重点突破，获得价格相对较低能满足各种复杂环境的改性纳米二氧化硅气凝胶是该类材料３９４第４卷 第４期吴春蕾，等：纳米二氧化硅绝热材料研究进展未来发展重点；沉淀法二氧化硅受到纯度和高羟基含量等不利因素影响，使其很难用到高温绝热保温领域．气相二氧化硅具有制备简单、绿色经济、价格相对低廉，加上其纯度高、稳定性好、容重低、孔隙率高的优点，使其在绝热保温领域具备了推广应用的潜质，因此，可以预见纳米气相二氧化硅绝热材料未来将在管道工程、窑炉、钢包、热炉、建筑和太阳能等领域获得突破性发展，推进传统绝热材料升级换代．参考文献：［１］陈春滋，朱未禺．保温绝热材料与应用技术［Ｍ］．北京：中国建材工业出版社，２００５．［２］石兴，李懋强．纳米氧化硅绝热材料［Ｊ］．中国粉体工业，２０１０（２）：１２－１６．［３］赵宜新，杨海堃．气相法白炭黑———一种多功能纳米材料［Ｊ］．精细与专业化学品，２００１（２）：６－１０．［４］ＸＵ Ｋ，ＬＩ Ｚ Ｈ，ＤＵＡＮ Ｘ Ｊ，ｅｔ ａｌ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｎａｎｏ－ｐｒｏｒｏｕｓｓｉｌｉｃａ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ［Ｃ］／／Ｔｈｅ ３ｒｄ Ａｓｉａｎ ＳｉｌｉｃｏｎＳｙｍｐｏｓｉｕｍ．Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｃｈｉｎａ：Ｃｈｉｎａ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｌｕ－ｏｒｉｎｅ ａｎｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，２０１０：６２．［５］洪立福，金鑫．超细二氧化硅的制备与改性［Ｊ］．北京化工大学学报：自然科学版，２００４，３１（５）：６９－７１．［６］ＰＡＪＯＮＫ Ｇ．Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｓｉｌｉｃａ ａｅｒｏｇｅｌｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＮｏｎ－ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｏｌｉｄｓ，１９９８，（２２５）：３０７－３１４．［７］刘朝辉，苏勋家，侯根良，等．超级绝热材料ＳｉＯ２气凝胶的制备及应用［Ｊ］．化工新型材料，２００５，３３（１２）：２１－２３．［８］徐维忠．耐火材料［Ｍ］．北京：冶金工业出版社出版，１９９５．［９］倪文，刘凤梅．纳米孔超级绝热材料的原理及制备［Ｊ］．新型建筑材料，２００２（１）：３６－３９．［１０］ＦＲＩＣＫＥ Ｊ．Ａｅｒｏｇｅｌｓ－ｈｉｇｈｌｙ ｔｅｎｕｏｕｓ ｓｏｌｉｄｓ ｗｉｔｈ ｆａｓｃｉ－ｎａｔｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌ－ｇｅｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９８，１３：２９９－３０３．［１１］董志军，颜家保，涂红兵，等．二氧化硅气凝胶隔热复合材料的制备与应用［Ｊ］．化工新型材料，２００５，３３（３）：４６－４８．Ｔｈｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｎａｎｏ－ｓｉｌｉｃａ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌＷＵ Ｃｈｕｎ－ｌｅｉ，ＹＡＮＧ Ｂｅｎ－ｙｉ，ＬＩＵ Ｌｉ，ＫＡＮＧ Ｘｕ（Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ＧＢＳ Ｈｉｇｈ－Ｔｅｃｈ ＆Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６６３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｎａｎｏ－ｓｉｌｉｃａ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｂａｓｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆｎａｎｏ－ｓｉｌｉｃａ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗａｓ ａｌｓｏ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｎ ｔｈｅｒｍａｌｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，Ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｎａｎｏ－ｓｉｌｉｃａ ｉｎ－ｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ；ｎａｎｏ－ｓｉｌｉｃａ；ｐｒｏｇｒｅｓｓ４９４材 料 研 究 与 应 用２ ０ １ ０。
二氧化硅气凝胶在保温隔热领域中的应用
二氧化硅气凝胶在保温隔热领域中的应用张德忠【摘要】Aerogel is a kind of synthetic porous material ,in which the liquid component of the gel is replaced with a gas .Aerogel has the translucent structure and remarkably lower thermal conductivity ( ≈ 0 .013 W/(m ・ K)) than the other commercial insulating materials .Therefore , it is considered as one of the most promising thermal insulating materials .Although current cost of aerogel still remains higher compared to the conventional insulation materials ,intensive efforts are made to reduce its manufacturing cost and hence enable it to become widespread all over the world .In this study ,a comprehensive review on SiO 2 aerogel and its utilization in the field of thermal insulation are presented .%二氧化硅（SiO2）气凝胶是通过使用气体来置换湿溶胶中的液体，从而得到一种结构可控的新型轻质纳米多孔固态材料．SiO2气凝胶材料与其他保温隔热材料相比，具有较低的导热系数（≈0．013 W／（m ・ K））和较高的透明性，在保温隔热领域中开发潜力巨大，有望替代传统的保温隔热材料．尽管气凝胶目前的成本高于传统的隔热材料，但是我们相信通过科学家和工程学家的不断努力，气凝胶的生产成本会被不断的降低，最终遍及世界各地．本文作者综述了 SiO2气凝胶材料在隔热领域的多种应用形式，介绍了目前国内外气凝胶公司研发产品情况以及实际应用案例．【期刊名称】《化学研究》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】8页(P120-127)【关键词】气凝胶;二氧化硅;溶胶-凝胶【作者】张德忠【作者单位】神华科技发展有限责任公司，北京 102211【正文语种】中文【中图分类】O646保温节能材料对于促进能源资源节约和合理利用，缓解我国能源资源供应与经济社会发展的矛盾，加快发展循环经济以及实现经济社会的可持续发展有着举足轻重的作用，是保障国家能源安全、保护环境、提高人民生活质量、贯彻落实科学发展观的一项重要举措．保温节能材料的研究与应用将推动我国节能、低碳技术以及绿色经济的发展．SiO2气凝胶材料是世界上最好的隔热(导热系数最低)固体材料之一，在常温和常压下导热系数可低至0．013 W/( m ·K)\［1\］．SiO2气凝胶不仅能够减少热能损失，而且环境友好，代表着未来保温隔热材料的发展方向．气凝胶材料属于国家工信部颁布的《新材料产业“十二五”发展规划》第六大项前沿新材料、新技术中的纳米材料领域，并且在《新材料产业“十二五”重点产品目录》中，SiO2气凝胶材料(编号330)被列为“十二五”期间重点发展的高新技术产品．1．1 SiO2气凝胶制备SiO2气凝胶的制备主要包含3个步骤．第一步是湿凝胶的制备．目前制备SiO2湿凝胶的主要方法是溶胶-凝胶法，其工艺根据原材料的不同分为两大类: 1)以正硅酸乙酯或正硅酸甲酯类为前驱体，通过水解和缩合反应形成三维网状结构的SiO2湿凝胶; 2)将硅酸钠通过离子交换树脂除去Na+，然后硅酸水解并聚合形成SiO2的湿凝胶;第二步是湿凝胶的老化．当SiO2溶胶达到凝胶点之后，SiO2凝胶网络结构中的硅骨架上仍然连接着大量的没有反应的烷氧基，需要继续发生水解和缩合反应，以增加SiO2凝胶网络结构的强度．通常在老化的过程中，会添加适量的反应单体，来增加SiO2凝胶的交联度．当老化完成后，需要用乙醇来冲洗凝胶，除去交联网络孔洞结构中残留的水份和未反应完全的单体材料;第三步是SiO2湿凝胶的干燥．湿凝胶的网络孔隙中充满的是反应后残余的液体试剂，要想获得孔隙中充满空气的气凝胶，还必须通过干燥将试剂蒸发出来，同时固体骨架应仍保持原有的网络多孔结构，这样便得到了低密度高孔隙率的气凝胶．避免湿凝胶在干燥过程中由于毛细管力产生的收缩塌陷的干燥方法主要有CO2超临界干燥、常压表面改性干燥和真空冷冻干燥．超临界干燥是最早被用来干燥湿凝胶制备气凝胶的干燥方法，也是目前商业化最常用的干燥方式．在超临界干燥过程中，液态CO2先置换掉凝胶网络孔洞中的有机溶剂，之后液态CO2逐渐从凝胶中排出\［2\］．虽然超临界方法是目前最通用的干燥气凝胶方法，但仍有一些局限性限制了它的推广应用，例如大型超临界设备的昂贵成本，过程控制以及高压反应下的安全问题．在20世纪90年代，BRINKER团队发展了一种逐渐商业化的常压表面改性干燥方法．他们通过一系列的溶剂交换以及用疏水基团替代羟基中的氢元素的表面改性方法来降低毛细管力，从而在常压下干燥获得SiO2气凝胶．常压法干燥通过溶剂交换以及表面改性减小了气凝胶孔洞的毛细管力，并且减弱凝胶骨架表面的相互反应活性，但是其并不能完全避免气/液界面的产生，所以在干燥过程中不能完全避免气凝胶的破裂，仅仅能够得到粉末或者碎块状的SiO2气凝胶．采用冷冻干燥制备气凝胶，凝胶孔洞中的液体被冷冻成固体，然后使其在真空的条件下升华．为了避免在冷冻过程中孔洞中溶剂由于结晶固化，破坏凝胶网络的骨架结构，真空冷冻干燥之前必须加长老化时间以增强骨架强度，并且要使用低膨胀系数和具有高升华压力的溶剂来置换出孔洞中的乙醇(或甲醇)溶剂．冷冻干燥过程中需要使用冷冻干燥室、制冷系统和真空装置，成本较高，并且干燥操作周期长，只能得到粉末状的凝胶粉末，不适宜规模化的工业生产，目前很少有报到通过此方法得到性能良好的气凝胶．1．2 SiO2气凝胶产品以及具体应用形式SiO2气凝胶目前在保温隔热领域的主要应用产品形式有4种\［3－6\］: 1)气凝胶粉体或颗粒; 2)气凝胶毡; 3)气凝胶板; 4)气凝胶玻璃．本节分别对这4种形式的产品逐一进行介绍．1．2．1气凝胶粉体或颗粒SiO2气凝胶粉体的制备方法非常成熟，也是最早工业化、商业化的气凝胶产品之一．气凝胶粉体制备方法主要有两种: 1)通过超临界方法制备大块状的气凝胶，然后通过不同的破碎方法，制备不同粒径的气凝胶粉体材料; 2)通过常压干燥成型的方法制备气凝胶粉体材料．SiO2气凝胶粉体几乎各大气凝胶生产商都有出售．例如，国内纳诺高科目前就有气凝胶粉体和颗粒在售，粒径为0．5～5 mm，比表面积600～1 000 m2/g，使用温度在－50～650℃．由于气凝胶粉体材料不易成型，SiO2气凝胶粉末一般不单独作为保温隔热材料使用．但是它可以作为功能结构材料的夹层，填充层使用;或者与其他材料复合和粘结作为保温隔热材料来使用．SiO2粉末可以添加到某些涂料中，复合成为具有保温效果的保温隔热涂料\［7，8\］．河南工业大学何方等\［9\］将SiO2气凝胶微球加入到纯丙乳液中，混合其他助剂制成SiO2气凝胶隔热涂料，并将它涂覆于普通马口铁基材上，制得隔热涂层．所得的涂层表面光滑平整，附着力强，硬度好，耐水耐热性能较好，隔热性能突出，可以很好的满足隔热涂料的基本需要．2 011年，法国的ACHARD等\［10\］发表一项专利，用于建筑外墙保温的灰泥砂浆．灰泥砂浆由水、无机矿物材料、有机水凝粘合剂、气凝胶颗粒绝热填充层和其他添加剂组成，其中气凝胶颗粒取代了传统灰泥砂浆中的部分沙子．测试数据显示，该涂层的导热系数为0．027 W/( m·K)，密度为200 kg/m3，比热为1 100J/( kg·K)．该产品使用便利，即它可以预制成型(图1C)，制备成预期厚度和形状的型材，可在建筑外墙中直接使用，也可以在施工现场直接加水混合成具有一定粘度的砂浆，通过机器喷涂或人工直接砌在建筑物的外表面(图1)．1．2．2气凝胶毡气凝胶毡是将SiO2气凝胶在湿溶胶阶段与纤维增强材料复合，然后经过凝胶和干燥制备得到气凝胶毡．它即保留了气凝胶良好的保温绝热的特点，又通过与纤维材料的复合有效的解决了气凝胶机械强度低、易碎、易裂等问题．气凝胶毡纤维增强材料一般分为两大类:一类是韧性，强度较好的有机纤维，例如芳纶纤维、聚氨酯纤维等;另一类是耐高温的无机纤维，例如玻璃纤维、玄武岩纤维、高硅氧纤维、莫来石纤维、石英纤维、硅酸铝纤维等．气凝胶毡类工业化产品的生产方法最早是在1999年由美国Aspen公司提出\［11\］，具体生产步骤如图2所示．将SiO2溶胶、催化剂以及掺杂剂按照一定比例混合，通过滚镀镀膜的方法使溶胶充分浸润纤维材料，之后通过超临界萃取，干燥，打包成型，制备得到气凝胶毡．气凝胶毡类的制备过程比较成熟，难点主要是前期复合阶段凝胶点的溶胶含量的控制以及后期干燥方法的选择(常压干燥和超临界干燥)．目前关于气凝胶毡类产品的研究多集中在如何降低成本，提高生产效率以及产品性能．例如，KIM等\［12\］以廉价的硅酸钠为主要原料，通过离子交换膜得到SiO2水溶胶，然后浸润玻璃纤维，通过溶剂交换，三甲基氯硅烷表面改性等方法，并经过常压干燥制备了疏水型的气凝胶毡．气凝胶毡类产品具有良好的保温隔热效果、疏水性能和极好的柔韧性等优点，是一种理想的保温隔热材料，被广泛的应用到各个行业的保温隔热领域\［13－15\］．例如，航空航天领域的保温材料，耐高温的各类工业管道、罐体及其他弧面设备的保温隔热．1．2．3气凝胶板气凝胶板与气凝胶毡类产品类似，主要是通过气凝胶和其他材料复合制成板材．与气凝胶毡类产品不同的是，气凝胶板类产品不是在溶胶阶段和纤维材料复合，而是将纯气凝胶和纤维、颗粒、砂浆、金属、有机高分子等复合制成刚性的板材．由于气凝胶板是通过气凝胶材料与其他材料复合后经二次浇筑成型，所以可以制备气凝胶异型元器件，满足不同工作场合的需要．目前，已有生产厂家结合真空绝热板的生产技术制备出导热系数小于0．004 W/( m ·K)的气凝胶真空绝热板．气凝胶板除了应用在建筑物和冰箱﹑冷藏﹑冷冻容器等的工业用保温材料外，还可以应用到军工以及航空和航天领域．2003年5月和6月，美国太空总署发射“火星探测漫步者”(勇气号和机遇号)，并与2004年1月成功登陆火星，开始探测活动．火星探测器机器人重要的器件工作温度绝对不能超过－40～40℃．为了抵御火星地表昼夜100℃的温差，维持器件工作温度的恒定，在探测器机体内壁附着了一层气凝胶片装的复合材料用于隔热保温，维持元、器件工作温度的恒定(图3A)．2011年，美国又成功发射“火星科学实验室”( Mars Science Laboratory，MSL)，又名“好奇号”火星车．气凝胶被用来作为“好奇号”放射性同位素热电转换器( Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator)装置上热交换器的隔热材料(图3B)．其热交换器面板为树脂基材六角蜂窝孔洞结构，采用气凝胶和石墨复合材料对孔洞进行填充，交换器面板树脂基材起到结构支撑作用，而气凝胶起到隔热作用\［16\］．1．2．4气凝胶玻璃保温材料除了在工业领域的重要作用外，在建筑行业也起到举足轻重的作用．据统计，在美国和欧洲建筑行业的能量消耗占社会总能量需求的20%～40%，甚至超过工业和交通运输业的总和\［17－18\］．窗户是建筑物结构中必不可少的一部分，光线以及新鲜的空气可以通过窗户进入到室内，能够给我们创造一个良好和舒适的内部生活环境．但是，窗户对于建筑物保温存在着不利影响，在建筑围护结构中的能量耗散中大约有50%的热量是通过窗户所消耗的．因此，透明隔热的保温材料在民用住宅以及商业建筑的节能环保领域起着至关重要的作用\［19－21\］．气凝胶与其他保温隔热材料相比，除了具备低的导热系数，低密度，阻燃等特性外，它还具有透明性．纯的SiO2气凝胶具有类似玻璃的高透过率，可见光波段内透光率能够达到90%以上\［22－23\］．但是，气凝胶极限拉伸强度很小，质脆，易碎，要避免直接的机械撞击．由于结构本身的缺陷，目前气凝胶产品很难作为玻璃直接应用，需和普通玻璃结合使用．主要有气凝胶镀膜玻璃和真空夹层气凝胶玻璃两大类．气凝胶镀膜玻璃就是在普通玻璃表面增加一层气凝胶薄膜来提高隔热性能\［24－25\］．南京工业大学材料化学工程国家重点实验室陈洪龄等\［26\］通过聚甲基氢硅氧烷和正硅酸乙酯制备了超疏水的气凝胶涂层，该涂层在可见光范围内透过率达到90%，并且该涂层可以通过十六烷基三甲氧基硅烷改性处理变为超亲水涂层．虽然气凝胶涂层玻璃兼顾了气凝胶材料的绝热性和透明性，但是涂层对节能性能提高有限，并且涂层与玻璃的附着性也是一大问题．自1980年以来，气凝胶作为透明的绝热材料逐渐被应用到窗户体系中．产品主要是在中空玻璃的夹层填充气凝胶材料，用于制备具有低导热系数和高透明度的气凝胶玻璃．真空夹层气凝胶玻璃按照夹层内气凝胶的形状又分为两大类: 1)夹层填充物为SiO2气凝胶颗粒; 2)夹层填充物为整块气凝胶．整块填充的气凝胶玻璃透明度要优于颗粒填充的气凝胶玻璃，10 mm厚的整块填充的气凝胶玻璃窗户的透过率能够达到90%，然而颗粒填充的气凝胶玻璃窗户透过率最大也只能够达到50%\［27－30\］．图4为这两种气凝胶玻璃的形貌图．对于气凝胶玻璃窗户的保温隔热以及透光率性能的研究早期多集中在欧洲，这主要是由于欧洲的地理位置以及气候所决定．欧洲纬度较高，冬天寒冷漫长，房间需要供暖周期较长．从二十世纪80年代后，由于制备气凝胶材料工艺的发展，气凝胶成本下降，再加上人们对节能环保和高效利用能源的重视，使得气凝胶玻璃门窗系统的研究才逐渐开展起来．1986年，CAPS和FRICKE\［31\］测试了透明气凝胶材料的红外辐射传热性能，得到气凝胶材料的辐射热导率大约是0．002W/( m·K)．在1998－2005年，欧盟审议并且通过了两个关于气凝胶玻璃窗户项目( HILIT和HILIT+)的研究，大大加快了气凝胶玻璃窗户体系的研究与工业化进程．在该项目研究中，瑞典的Airglass AB公司成功的将气凝胶玻璃由实验室研发阶段转换到工业试制阶段．图5展示了该公司生产的气凝胶玻璃窗户，该窗户厚度大约15 mm，每块气凝胶玻璃的尺寸大约58 cm×58 cm，热导率为0．002 W/( m·K)，可见光透过率达到75%．由于气凝胶内部孔洞结构，以及SiO2骨架的刚性结构，决定气凝胶材料质地脆弱易碎，工业化生产整块大面积的气凝胶仍然是一个巨大的挑战，目前气凝胶玻璃最大尺寸60 cm×60 cm，并且产品的良率不是很高，整块大面积的气凝胶玻璃现阶段只是应用在科学研究领域，工业化进程道路依然非常漫长．气凝胶颗粒填充的气凝胶玻璃虽然只有20%～50%的透过率，但是它能够避免气凝胶易碎的问题，可以应用在大型剧院、商场、游泳馆等无需良好视觉效果的位置\［32\］．图6展示了美国底特律艺术学院和纽约州立大学石溪分校诺贝尔大厅使用的美国Kalwall公司气凝胶玻璃\［33\］．气凝胶通常是指以具有纳米量级微细颗粒相互聚集构成的纳米多孔网络结构，并在纳米量级的网络骨架中充满大量气态分散介质的轻质纳米固态材料，其中SiO2气凝胶最受关注，也是近年来研究最多的气凝胶．与碳气凝胶、Al2O3和TiO2等其他气凝胶相比，SiO2气凝胶原材料来源丰富，制备工艺简单，可控性好．在性能方面，SiO2气凝胶同时兼有玻璃的高透明性，聚苯乙烯、聚氨酯类有机高分子材料的低热导率特性，以及炭黑材料的高比表面积等特性\［34－38\］．图7显示了SiO2气凝胶具有优良的抗压强度、显著的绝热特性和低密度特性．与发泡聚苯乙烯、岩棉棉等其他隔热材料相比，气凝胶同时兼有玻璃的高透明性，低热导率特性以及高的燃烧等级等特性\［39－40\］．表1为常用保温隔热材料的特性对比．国外气凝胶生产企业主要集中在欧美地区(图8)，其中美国占据世界一半以上份额．美国从事气凝胶的生产企业有10家左右，主要有Aspen、Cabot和Thermablok公司，这3家公司在美国国内占据65%以上的市场份额．Aspen气凝胶公司是美国航空航天管理局下属的一家公司，创立于2001年，继承了应用于美国宇航局( NASA)的专业宇航纳米保温技术，将超临界气凝胶保温毯生产技术工业化，全球年产能达上亿平方英尺．2010年，德国BASF公司旗下的Venture Capital公司向Aspen投资2 150万美元，Aspen公司的气凝胶产品应用于BASF公司在比利时Antwerp的工厂．Cabot公司是一家拥有130年历史，专业生产特殊化工产品和特种化工材料的全球性跨国公司，目前该公司在建筑用气凝胶方面已经有了一定的应用，主要有气凝胶节能窗、气凝胶涂料、气凝胶新型板材和屋面太阳能集热器．Thermablok公司是美国Acoustiblok公司的子公司，主要生产韧性的气凝胶绝热胶条，其产品主要用在住宅建筑的地板、墙壁、天花板边缘．目前，国内仅有绍兴纳诺高科有限公司、广东埃力生高新科技有限公司和航天海鹰(镇江)特种材料有限公司等少数几家公司能够生产气凝胶产品．纳诺高科成立于2004年，是国内首家进行SiO2气凝胶商业化和产业化的公司．公司以生产气凝胶SiO2粉末为主，年生产能力为2 000立方米，主要产品是隔热毡．广东埃力生亚太电子有限公司是一家集研发、生产、销售气凝胶复合隔热材料和真空绝热材料为一体的创新型高新技术企业．公司主要经营纳米气凝胶粉末，和纳米气凝胶毡．航天海鹰(镇江)特种材料有限公司成立于2011年，由航天三院、航天特种材料及工艺技术研究所(代号三○六所)、镇江新区高新技术产业投资有限公司共同出资组建，公司超临界生产线年产量将达到1 500立方米．以航天三院技术研发为支撑和航空航天市场为依托，航天海鹰气凝胶后续生产发展能力值得期待，势必会对纳诺、埃力生等老牌气凝胶生产厂商形成强有力的冲击．SiO2气凝胶材料由于具有独特的结构，显示出低密度、透明、隔音、绝热等特性，在建筑围护结构、管道保温、涂料以及航空航天领域有着极其广泛地的应用．但是若要取代传统的无机矿物棉以及有机保温材料，气凝胶材料还必须解决好以下两点问题:一是成本问题．气凝胶目前的市场价格大约是其他保温材料的10倍，必须改进生产工艺，并降低原材料的成本;二是粉尘问题．气凝胶材料在生产和使用阶段会产生大量粉尘，并且这些粉尘依据现有生产和施工条件难以完全去除．随着建设资源节约型、环境友好型社会已经成为落实科学发展观的必备条件，国家必定在节能和环保领域有更多的需求与投入，传统的保温材料将逐渐被气凝胶材料所取代，因此气凝胶材料必将有着更广阔的发展空间与市场前景．【相关文献】［1］CUCE E，CUCE P M，WOOD C J，et al．Toward aerogel based thermal 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SiO2气凝胶的热特性及其在隔热保温领域的应用
SiO2气凝胶的热特性及其在隔热保温领域的应用摘要：SiO2气凝胶独特的结构使其具有不同于一般材料的热传导方式。
本文分析了SiO2气凝胶热传导途径并提出了降低SiO2气凝胶导热系数的方法，同时归纳了SiO2气凝胶作为超级绝热材料应用于隔热保温领域的一些研究进展及应用前景。
关键词：SiO2气凝胶热传导隔热材料1. 引言全球工业化飞速发展所伴随的能源危机和环境问题，对世界经济和人类生存的威胁日趋严重，因此研究开发和应用新型绝热材料对于实现国家节能减排目标具有迫切必要性和现实重大社会和经济意义。
而SiO2气凝胶是一种具有低密度、高孔隙率、低热导率的纳米轻质多孔材料，它优异的隔热保温性能对于能源领域的节能环保提供了重要的发展契机。
2. SiO2气凝胶的热特性由于SiO2气凝胶的纳米尺度颗粒和孔隙，以及连续的空间网络结构，它具有很低的热导率；而材料的热传导主要通过对流、辐射、热传导三种方式来实现，因此需要从材料的传热途径入手降低它的导热系数。
2.1 SiO2气凝胶的热传导途径导热系数是衡量绝热材料性能优劣的主要指标。
大部分绝热材料的热传导主要通过气体的对流传导、气相热传导、固相热传导、红外辐射传热四种途径实现。
在SiO2气凝胶纳米空隙中的气体和固体颗粒表面之间的热传输中，因为紧靠固体表面的气体静止不动或者做层流运动，所以在固体－气体表面热量输运的机理本质上是属于传导类型。
在纳米级结构的SiO2气凝胶中，气体往往被分隔或封闭在无数微小空间之内，因此对流传热量所占比例很小。
一般来说材料的孔尺寸小于1mm时，对流引起的热传导可以忽略，而气凝胶孔径多分布在5~50nm 之间，所以不考虑对流传热的影响。
按照分子运动及碰撞理论，气体传递能量主要通过较高温度高速运动的分子与较低温度低速运动的分子碰撞实现。
由于SiO2气凝胶中的微孔尺寸小于空气中占主要成分的氮气和氧气的自由程70nm，气体分子频繁地与凝胶骨架碰撞，热能转移到气凝胶的结构上，从而气相传导受到限制，SiO2气凝胶得到比无对流空气更小的导热系数。
纳米二氧化硅的用途
纳米二氧化硅的用途, 纳米二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一,由于其粒径很小，因此比表面积大，表面吸附力强，表面能大，化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，在众多学科及领域内独具特性，有着不可取代的作用。
纳米二氧化硅俗称“超微细白炭黑”，广泛用于各行业作为添加剂、催化剂载体，石油化工，脱色剂，消光剂，橡胶补强剂，塑料充填剂，油墨增稠剂，金属软性磨光剂，绝缘绝热填充剂，高级日用化妆品填料及喷涂材料、医药、环保等各种领域。
并为相关工业领域的发展提供了新材料基础和技术保证。
由于它在磁性、催化性、光吸收、热阻和熔点等方面与常规材料相比显示出特异功能，因而得到人们的极大重视。
(一)、电子封装材料有机物电致发光器材(OELD)是目前新开发研制的一种新型平面显示器件，具有开启和驱动电压低，且可直流电压驱动，可与规模集成电路相匹配，易实现全彩色化，发光亮度高(>105cd/m2)等优点，但OELD器件使用寿命还不能满足应用要求，其中需要解决的技术难点之一就是器件的封装材料和封装技术。
目前，国外(日、美、欧洲等)广泛采用有机硅改性环氧树脂，即通过两者之间的共混、共聚或接枝反应而达到既能降低环氧树脂内应力又能形成分子内增韧，提高耐高温性能，同时也提高有机硅的防水、防油、抗氧性能，但其需要的固化时间较长(几个小时到几天)，要加快固化反应，需要在较高温度(60?至100?以上)或增大固化剂的使用量，这不但增加成本，而且还难于满足大规模器件生产线对封装材料的要求(时间短、室温封装)。
将经表面活性处理后的纳米二氧化硅充分分散在有机硅改性环氧树脂封装胶基质中，可以大幅度地缩短封装材料固化时间(为2.0-2.5h),且固化温度可降低到室温,使OELD器件密封性能得到显著提高,增加OELD器件的使用寿命。
(二)、树脂复合材料树脂基复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀等特点，但近年来材料界和国民经济支柱产业对树脂基材料使用性能的要求越来越高，如何合成高性能的树脂基复合材料，已成为当前材料界和企业界的重要课题。
纳米二氧化硅绝热材料研究进展
在此 点重叠 达 到最 低 点． 管二 氧 化 硅气 凝胶 的绝 尽
热性 能卓越 ， 是相对 气相二 氧化硅 而言 ， 但 二氧 化硅
，
与 目前常 用 的绝 热 保 温材 料 相 比绝 热 效 果 提高
热 圈等． 广州吉 必 盛 和 有 关科 研 院校 共 同合 作 研 制
收 稿 日期 ：０ ０１—６ ２ １—０２ 作者简介 ： 春蕾（９２ ）男， 吴 １ ７一 ， 山东 人 ， 级 工 程 师 ， 士 高 博
４２ ９
材
料
研
究
与
应
用
２Ｏ ｌＯ
的气相 二氧化 硅绝 热 材料 ， ８ ０ ℃热 导 率 入低 于 在 ０ ０ ０ ｍ ・ Ⅲ ， 当前热 导率 最低 的 固态 材 料之 ． ４Ｗ／ Ｋ 是
１ 纳米 二 氧化 硅 的特 点
纳米 二 氧化硅 按 照制备 方法 主要 分为气 相 二氧 化硅 、 淀二 氧化 硅 、 氧化 硅气凝 胶 三类． 沉 二
１ １ 气 相 二氧化 硅 ．
抗 压强度应 大 于 ０ ３ＭＰ ｎ ． ． ａ ］ 绝热 材料 兼具保 温 、 保
冷 和隔热 的功 能 ， 能 源 开 发 、 碳 工 程 的 重 要 组 是 低 成， 是与生 态 、 境保 护 和可持 续发展 密切 相关 的行 环 业． 绝热 材 料 的 品种 很 多 ， 按材 质 分 类 ， 可分 为 无 机 绝热 材料 、 有机绝 热 材料 和金属 绝热 材料 三大 类 ． 无 机绝 热材料 主要 包括 岩矿 棉 、 胀蛭 石 、 膨 氧化 硅基 等
纳 米 二 氧 化 硅 绝 热 材 料 研 究 进 展
，
吴春 蕾 ，杨 本意 ，刘 莉 ，康 旭
SiO2纳米孔超级绝热材料的研究现状
Ｓｔ ｙ ｎ ｎ ｎ ｏｒ ｕ ｕｐ ｒ Ｔｈｅ ｍ ａ ｎｓ ａ ｉｎ Ｍ ａ ｅ ａ ｍ ｐ ｎｄ ｄ Ｗ ｉｈ Ｓ０ ２一ａｅ ｏ ｅ ｕｄ ｉ ｇ Ｏ Ｎａ ｏｐ ｏ ｓ Ｓ ｅ ｒ ｌＩ ｕｌｔｏ ｔ ｒ ｌＣｏ ｉ ｏｕ ｅ ｔ ｉ ｒｇｌ
ＬｕＴ ｏ Ｗａｇ Ｈｕ， ｅ ｇ Ｉｎ ｋ ， ｈｍｉｇ Ｓ ｕ Ａ ｚ Ｕｕ Ｙ ｎ ｈ ｎ（ ｏｌｇ ｆＭａｅｉｌ，Ｓ ｕｈ Ｃ ｉａ Ｕ ｉｅｓｙ ｏ ｅｈ ｏｏ ｙ ｉ ａ ， ｎ ｉＺ ｎ ． ｇ ｅ Ｕｕ Ｓ ｉ ｎ ， ｈ ｉ ｎｅ， ａ ｃ ｕ Ｃ ｌ ｅ ｏ ｔｒ ｓ ｏ ｔ ｈｎ ｎｖ ｒｉ ｆＴ ｃ ｎｌｇ ， ． ｉ ｅ ａ ｔ
１ 概 述
早在 １９ ９ ２年 ， 国学 者 Ｈ ｎ Ａ Ｊ 美 ｕｔ 等在 国际材 料 工 程 大会 上 就 提 出 了 超 级 绝 热 （ ｕｅ ｎｕａｏ ） 料 的 Ｓ ｐｒｉ ｌ ｉ 材 ｓ ｔｎ 概念 。在 此之 后 ， 多 学者 都 陆 续 使 用 了超 级 绝 热 材 很 料 的概念 。 一般认 为 超级 绝热 材料 是指 在预定 的使 用
Ｋｅ ｒ ｓ Ｓ ｐ ｒｔｅｍ ｌｉ ｕａｉｎｍ ｔｒ ； ａ ｏ ｒｕ ； ｉ２一ａｒｇｌＮａｏ ｔｒ ｙｗｏｄ ：ｕ ｒ ａ ｎ ｌｔ ｅ ａ Ｎ ｎ ｐ ｏ ｓ Ｓ（ ｅ ｈ ｓ ｏ ａ ｉ ｌ ｅ ） ｅｏ ｅ； ｎ ｍａｅ ａ ｉ ｌ
纳米SiO2在保温绝热材料中的应用研究
1.纳米SiO 1.纳米SiO2的结构与形成 纳米
1个si和4个O形 成4个共价键,每个 Si周围结合4个O, 每个O与2个si相结 合,由此组成立体 网状的SiO 晶体。 SiO 气凝胶是由三 维纳米多孔网络结 构及分散其中的气 态介质组成(图1)
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在不均匀体系中,必然存在两个或者两个 在不均匀体系中 必然存在两个或者两个 以上性质不同的相,各相并存必然有界面 各相并存必然有界面,习惯 以上性质不同的相 各相并存必然有界面 习惯 上把气-固 气 液直接的界面称为表面 液直接的界面称为表面,固 液 上把气 固,气-液直接的界面称为表面 固—液 固之间的过渡区称为界面. 液—液 固—固之间的过渡区称为界面 液 固之间的过渡区称为界面
表面覆层的形成与结合机理
材料加工工程 20111表面与界面 表面与覆层界面结合概论 覆层表面结合的类型 覆层表面的结合性能与影响因素 覆层与基体的冶金结合 覆层成分的控制 融合区的特点
基材的受热变质
堆焊层的形成与结合
焊接缺陷的控制
本章提纲
2.1.1表面与界面 2.1.1表面与界面
SiO2气凝胶的特性及应用
Silica aerogel
-目录-
1 SiO2 气凝胶 简介
1 SiO2 气凝胶特性
3 SiO2 气凝胶的应用
4 研究方向
1 SiO2 气凝胶 简介
气凝胶（aerogels）通常是指以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米 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。 气凝胶是一种固体，但是99%都是由气体构成，外观看起来像云一样。 气凝胶因其半透明的色彩和超轻重量，有时也被称为“固态烟”或“冻 住的烟”。
2.2独特的耐火焰烧穿性能 SiO2气凝胶自身不可燃，具有独特的火焰烧穿性能，可长时间承受火焰直 接灼烧。在高温或火场中不释放有害物质，同时能有效阻隔火势的蔓延，为火场 逃生提供更多宝贵时间。
2 SiO2 气凝胶特性
2.3 良好的热稳定性 SiO2气凝胶热稳定温度高达600℃(700℃以上孔隙率降低，直至烧结成致 密SiO2)，在300℃以下使用具有超级疏水性。
研发方向
1. 掺杂改性SiO2气凝胶是获得气凝胶新品种及其优良性质的有效方法，通过掺杂 其他的元素，实现对SiO2气凝胶结构的优化，以达到提高SiO2气凝胶的品质的效 果； 2.研发新的制备工艺，尽可能地降低SiO2气凝胶的制备成本，也是目前研究的重 点之一。
2.4 优异的隔声性 SiO2气凝胶还具极低的密度、极低的声传播速度、极低的介电常数、极高的 比表面积等优异性能。SiO2气凝胶以其优异的保温隔声性能有望成为一种环保型 高效保温隔声轻质建材。
2 SiO2 气凝胶特性
2.5 较好的透光性 SiO2气凝胶还具有透光性，可以有效地透过可见光，同时可以高效地阻隔 红外辐射，因此，用于建筑物可以很好地兼顾采光和节能。
3 SiO2 气凝胶的应用
二氧化硅纳米绝热材料
二氧化硅纳米绝热材料
二氧化硅纳米绝热材料是一种具有优异绝热性能的材料，其主要成分是纳米级的二氧化硅颗粒。
由于材料结构的特殊性，它具有以下特点：
1. 优异的绝热性能：二氧化硅纳米绝热材料具有优异的隔热性能，能够有效阻止热能的传导和散失，提供良好的保温效果。
相比传统的绝热材料，它的导热系数更低，能够更有效地防止热量的传递。
2. 超低密度：二氧化硅纳米绝热材料具有极低的密度，通常在0.1-0.3 g/cm³之间。
这种低密度使得材料非常轻便，适用于各
种材料的绝热和隔热应用。
3. 高度可压缩性：二氧化硅纳米绝热材料具有高度的可压缩性，可以根据不同需要进行灵活的设计和制造。
它能够适应各种形状和尺寸的表面，方便安装和使用。
4. 耐高温性：二氧化硅纳米绝热材料具有良好的耐高温性能，能够在高温环境下保持稳定的绝热效果。
这使得它适用于需要承受高温的工业应用，如航空航天、汽车制造等领域。
5. 环保健康：二氧化硅纳米绝热材料是一种环保健康的材料，不含有害物质，不会对人体和环境造成污染和危害。
总之，二氧化硅纳米绝热材料具有优异的绝热性能、轻便的重
量、高可压缩性和耐高温性能，适用于各种绝热和隔热的应用领域。
纳米二氧化硅复合绝热材料研究现状及发展趋势
纳米二氧化硅复合绝热材料研究现状及发展趋势张成贺;李呈顺;刘超;王翠玲;袁玉珍【摘要】阐述了纳米二氧化硅复合绝热材料的绝热机理及绝热性能,分别总结了溶胶-凝胶法和气相法制备纳米二氧化硅复合绝热材料的研究现状,并就两种方法制备纳米二氧化硅复合绝热材料的过程中存在的问题作了分析.详细介绍了一些功能性添加材料,包括红外遮光剂、增强材料和高温收缩抑制剂,这些材料对纳米二氧化硅复合绝热材料的性能具有重要的影响.最后展望了纳米二氧化硅复合绝热材料的发展趋势.【期刊名称】《无机盐工业》【年(卷),期】2013(045)011【总页数】5页(P5-9)【关键词】纳米二氧化硅;复合绝热材料;功能性添加材料【作者】张成贺;李呈顺;刘超;王翠玲;袁玉珍【作者单位】山东理工大学,山东淄博255049;山东鲁阳股份有限公司;山东鲁阳股份有限公司;山东鲁阳股份有限公司;山东理工大学,山东淄博255049【正文语种】中文【中图分类】TQ127.2工业耗能是中国三大高耗能行业之首，在石化、冶金、电力等工业炉和高温设备上采用绝热耐火材料，是实现节能降耗的重要途径。
传统绝热耐火材料有轻质砖、轻质浇注料、耐火纤维等，由于其导热系数相对较高，在给定厚度下无法满足工业设备外壁温度低于70℃的节能要求，需要采用低导热率的绝热材料。
20世纪90年代初，A.J.Hunt等率先提出了超级绝热材料的概念，即在预定使用条件下，其导热系数低于静止空气导热系数的绝热材料。
纳米二氧化硅复合绝热材料，是以纳米SiO2、遮光剂、增强纤维等为原料，采用先进的合成工艺制造出的超级绝热材料。
该材料具有轻质、孔隙率高、热导率低等优点，可广泛用于化工、冶金、建筑、和航天等领域［1］。
1 纳米SiO2复合绝热材料的绝热机理及绝热性能材料的传热主要由 4个部分构成［2］：1）气体分子的热传导（Qg）；2）气体的对流传热（Qc）；3）固体材料的热传导（Qs）；4）红外辐射传热（Qr）。
SiO2气凝胶保温隔热材料在建筑节能技术中的应用
SiO2气凝胶保温隔热材料在建筑节能技术中的应用摘要】气凝胶是一种由纳米高聚物分子构成的新型多孔网格结构材料。
常见的二氧化硅(SiO2)气凝胶的密度为0.003～0.15g/cm3，90%以上纳米级孔隙率，尺寸小于50nm，其在热学、声学和光学等方面展现出优越的特性。
在热学方面，常温下的SiO2气凝胶的多孔网格结构对固态和气体热传导能起到有效抑制作用，具有高效的隔热性能和极低的热导率，SiO2气凝胶还能在950℃高温下保持良好的多孔网络结构。
因此，SiO2气凝胶是目前公认的最优秀的轻质保温超级隔热材料，在建筑节能、航空航天、医学、化工、冶金等领域具有广阔和极具潜力的应用前景。
【关键词】SiO2气凝胶；保温隔热材料；建筑节能技术；应用一、气凝胶节能材料气凝胶是一类新型纳米材料，具有多孔网络骨架结构，比表面积大，材料内部有超过90%体积的空气，密度极低；气凝胶材料的导热系数极低，气凝胶用作建筑材料，具有轻量化和节能效果好的优势。
气凝胶的制备通常需要经历两个阶段:溶胶－凝胶和干燥阶段。
气凝胶节能材料的典型代表是SiO2气凝胶，也是科学家最早发现的气凝胶种类，首先是由斯坦福大学Kistler教授以硅酸钠为硅源，制备了水凝胶，再对水凝胶进行超临界干燥法制得的，最初的SiO2气凝胶机械强度很差，且制造成本高，仅应用在实验室研究中，无法用于工业生产，并且研究技术难度大，因此在最初的三十多年里都无太大的发展。
直到20世纪80年代末，气凝胶才有初步的工业应用，主要应用于卫星探测器、太空飞船和宇航服等尖端科技领域；直到进入21世纪，尤其是近几年，气凝胶材料才有应用于节能建筑领域中的案例。
例如，瑞典airglass公司推出的SiO2气凝胶玻璃，用作建筑门窗，可大大降低供暖和制冷能耗。
除了国外的研究之外，我国学者也将气凝胶用于建筑领域中，并取得了一定进展：同济大学沈军教授等研究开发了气凝胶保温板、保温毡等，已在建筑管道、墙体等方面应用，节能效果为传统材料的5倍，并且机械强度、抗震、安全环保、防火性能都优于传统材料。
纳米多孔超轻质高效隔热SiO2气凝胶
纳米多孔超轻质高效隔热SiO2气凝胶1、项目提出的主要理由面对能源短缺问题，建设节约型社会，减少热损失和能源浪费、提高热能利用效率具有重要意义，这势必需要大力发展隔热保温材料，广泛采用新型优质隔热保温材料，对我国国防、经济建设的健康、稳定发展具有重要的现实意义。
SiO2气凝胶是一种新型轻质纳米多孔材料，具有低密度、高孔隙率、低热导率和低折射率，是一种新型高效隔热保温材料。
纳米多孔SiO2气凝胶以其独特的结构可有效的阻止热量传输的三种方式，常温常压下热导率小于0.013 W/m K，比静止空气的热导率（0.026 W/ k·m）还低，是目前热导率最低的固体材料，可称为超级绝热材料。
纳米多孔SiO2气凝胶具有一定的抗压强度，可在高温下稳定工作，最高使用温度可达1000℃，高温下不分解，无有害气体放出，属于绿色环保型材料。
纳米多孔SiO2气凝胶还具有极高的孔隙率、极低的密度、极低的声传播速度、极低的介电常数、极高的比表面积、透明等优异性能，在热学、光学、声学、微电子、石油化工、航空航天、节能建筑等领域具有十分广阔的使用前景。
1) 工业及民用领域在石化行业、化工行业和冶金行业中，管道、炉窑及其它热工设备普遍存在，用SiO2气凝胶及其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SiO2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。
冷藏集装箱作为一种冷冻、冷藏运输设备，必须有良好的隔热结构, 才能保证设备的正常工作，用SiO2气凝胶代替硬质聚氨酯泡沫塑料具有导热系数小、强度高、稳定性好、抗腐蚀等优点，可用作冷藏集装箱的隔热材料。
气凝胶保暖服、保暖鞋已经以商品的形式出现在美国市场上，为极地探险、寒地运动、北极科考以及寒地单兵提供了御寒保障。
耐高温SiO2气凝胶隔热复合材料的设计、制备与性能研究
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研究成果评价与讨论
创新性
本研究的创新点在于成功制备出具有优异耐高温性能的SiO2气凝胶隔热复合材料，为解决高温环境下的隔热 问题提供了一种新的解决方案。
应用前景
所制备的SiO2气凝胶隔热复合材料具有广泛的应用前景，可用于航空航天、汽车、工业高温设备等领域，提 高设备的隔热性能和安全性。
研究不足与展望
量化设计。
SiO2气凝胶隔热复合材料的制 备过程中不使用有机溶剂，因此 不会产生环境污染问题，更加环
保。
应用优势与局限性
应用优势
SiO2气凝胶隔热复合材料具有优异的隔热性能、耐高温性能和环保性能，可 以应用于多个领域，如工业炉、航空航天和建筑保温等。
局限性
SiO2气凝胶隔热复合材料的制备过程相对复杂，成本较高，可能会限制其广 泛应用。此外，该材料在高温环境下长期使用可能会受到一定程度的侵蚀和 氧化，需要进一步改进和完善其性能和稳定性。
材料制备方法的限制
虽然本研究已经优化了制备条件，但是仍 然存在一些不足之处，例如制备过程中需 要使用大量的有机溶剂，可能会对环境造 成一定的影响。未来可以进一步探索绿色 、环保的制备方法。
VS
材料性能的进一步提高
虽然本研究已经提高了SiO2气凝胶隔热 复合材料的性能，但是仍然存在一些不足 之处，例如材料的热导率较高，未来可以 进一步探索降低热导率的方法，提高材料 的隔热性能。
06
研究结论与展望
研究结论总结
制备方法的优化
通过对比实验，确定了最佳的制备条件，包括前驱体选择、合成 温度、合成时间等。
材料性能的改善
通过引入纳米SiO2颗粒，显著提高了SiO2气凝胶隔热复合材料 的热稳定性和隔热性能。
SiO2纳米孔超级绝热材料
[开发利用]SiO 2纳米孔超级绝热材料董文辉(中非地质工程勘查研究院，北京 100010)摘要：随着纳米技术的发展，纳米材料的研究在国内外不断升温，纳米孔超级绝热材料的研究也不断走向实用化和工业化。
本文综述了SiO 2纳米孔超级绝热材料的应用前景、研究现状、各国的研究机构，详细介绍了SiO 2纳米孔超级绝热材料的制备工艺。
本文对现实生产具有一定的指导作用。
关键词：纳米孔；超级绝热材料；纳米技术；纳米材料中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1007-9386(2006)02-0010-04Nanoporous Super Thermal Insulation Material Compounded With SiO 2-aerogelDong Wenhui(Zhongfei Geological Engineering Exploration Academy, Beijing 100010)Abstract: Along with development of nanometer technology, study on nanomaterial more and more at home and abroad, and the study on nanoporous super thermal insulation material is unceasingly developing toward practicability and industrialization. Further developing in the research, the status of research and institute in the world of nanoporous super thermal insulation material compounded with SiO 2-aerogel were reviewed. The formation about nanoporous super thermal insulation material compounded with SiO 2-aerogel were introduced in detail. This paper will produce certain guidance function to reality.Key words: nanoporous; super thermal insulation material; nanometer technology; nanomaterial收稿日期：2005-08-25作者简介：董文辉，男，27岁，硕士。
交联聚乙烯垫复核纳米二氧化硅保温毡应用技术规程
交联聚乙烯垫复核纳米二氧化硅保温毡应用技术规程1.引言1.1 概述概述交联聚乙烯垫复核纳米二氧化硅保温毡是一种新型的保温材料，具有优异的绝热性能和耐久性，广泛应用于建筑、汽车、电子等领域。
本技术规程旨在介绍交联聚乙烯垫复核纳米二氧化硅保温毡的制备方法和性能分析，为该材料的应用提供技术支持和指导。
保温材料是建筑和工业设备中非常重要的一部分，能够提供隔热和防火的效果。
随着科技的不断发展，人们对保温材料的性能要求越来越高，传统的保温材料已经难以满足需求。
而交联聚乙烯垫复核纳米二氧化硅保温毡的出现，填补了市场上保温材料的空白，具有突出的优势。
本文将首先介绍交联聚乙烯垫复核纳米二氧化硅保温毡的制备方法，涵盖原料的选取、混合方法、加工工艺等方面。
其次，将对该材料的性能进行详细分析，包括热导率、绝缘性能、机械性能等指标。
通过对这些性能指标的测试和分析，可以评估该材料在不同应用场景下的可行性和适用性。
最后，在结论部分对本文进行总结，并展望交联聚乙烯垫复核纳米二氧化硅保温毡的应用前景。
该材料具有广阔的应用前景，不仅可以应用于建筑领域，还可以用于汽车制造、电子产品等领域。
随着人们对能源节约和环境保护的要求不断提高，交联聚乙烯垫复核纳米二氧化硅保温毡将成为未来保温材料的重要选择。
通过本技术规程的编写和应用，交联聚乙烯垫复核纳米二氧化硅保温毡的制备和应用将更加规范和可行，为推动保温材料领域的发展作出贡献。
1.2文章结构1.2 文章结构本文按照以下结构逐一介绍交联聚乙烯垫复核纳米二氧化硅保温毡的应用技术规程：第二章是正文部分，主要包括交联聚乙烯垫复核纳米二氧化硅保温毡的制备方法和性能分析。
其中，2.1节将详细介绍交联聚乙烯垫复核纳米二氧化硅保温毡的制备方法，包括原材料选取、制备工艺流程和制备条件等。
2.2节将针对交联聚乙烯垫复核纳米二氧化硅保温毡的性能展开分析，包括保温性能、耐热性能、机械性能等方面。
第三章是结论部分，将对本文所介绍的交联聚乙烯垫复核纳米二氧化硅保温毡的应用技术规程进行总结。
纳米孔二氧化硅绝热材料的研究
纳米孔二氧化硅绝热材料的研究康旭;赵雷;段先健;李振华;李远兵;李淑静【摘要】纳米孔SiO2绝热材料因其低密度、低导热率和耐高温等优良特性引起了越来越多的关注.本文采用气相法二氧化硅、玻璃纤维和纳米TiO2为主要原料制备了二氧化硅纳米孔超级绝热材料.研究了气相法二氧化硅比表面积、玻璃纤维长度和纳米TiO2 粒径及其掺加量对纳米孔SiO2绝热材料导热性能的影响.结果表明:最佳的纳米孔SiO2绝热材料特性可以通过调整上述三个因素获得,材料的热导率在200℃和900℃时分别为0.037 W/m·K和0.067 W/m·K.【期刊名称】《材料研究与应用》【年(卷),期】2010(004)004【总页数】4页(P622-625)【关键词】气相法气相法白炭黑;纳米;TiO2;热导率;绝热材料【作者】康旭;赵雷;段先健;李振华;李远兵;李淑静【作者单位】广州吉必盛科技实业有限公司,广东,广州,510450;武汉科技大学耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地,湖北,武汉,430081;广州吉必盛科技实业有限公司,广东,广州,510450;广州吉必盛科技实业有限公司,广东,广州,510450;武汉科技大学耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地,湖北,武汉,430081;武汉科技大学耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地,湖北,武汉,430081【正文语种】中文【中图分类】TQ175.1纳米孔SiO2绝热材料以其优良的绝热性能，被广泛用于航天航空、工业窑炉和石油化工等领域.该材料起初是以SiO2 气凝胶为原料［1－2］，是一种新型的轻质纳米多孔非晶固态材料，其孔洞率高达80%～99.8%，具有优异的隔热性能.但是，SiO2气凝胶低密度、高孔隙率导致力学性能急剧下降，气凝胶强度低、脆性大，加之高温阶段遮挡红外辐射能力差、原料昂贵和工艺流程复杂等原因，限制了SiO2气凝胶在隔热领域的应用［1］.气相二氧化硅，俗称气相法白炭黑，常态下为白色无定形絮状半透明固体球链状SiO2颗粒聚集体，表面带有羟基和吸附水，粒径小于100 nm、无毒、比表面积100～400 m2／g，表面活性高和纯度高（SiO2＞99.8%）.以上特性决定了其具备作为SiO2气凝胶替代材料的可能性.尽管如此，为了满足实际应用的要求，仍需要加入高长径比的玻璃纤维作为增强材料以提高强度，并且添加纳米级TiO2作为红外遮蔽剂以降低高温条件下的辐射传热.纳米TiO2作为一种新型的无机纳米功能材料，具有比表面大、表面活性高、光吸收性能和热传导性好、催化性强，具有高的折射率、较好的高温稳定性［3］等独特的物理、化学性能［4］，使其具有很多常规 TiO2所不具备的光、电、热、力学等特殊性质［5］.目前，对纳米TiO2性质的研究主要集中在吸光［6］、抗紫外［7］、光催化［8－9］、光电转换［10］等方面，而关于其在红外遮蔽方面的研究报道相对较少.本文针对采用SiO2气凝胶制备纳米孔SiO2绝热材料存在的工艺复杂、强度低、脆性大、高温阶段遮挡红外辐射能力差等缺陷，利用气相法气相法白炭黑为硅质原料，采用玻璃纤维增强和采用TiO2作为红外遮蔽剂，研究了气相法二氧化硅比表面积、玻璃纤维长度和纳米TiO2粒径对纳米孔SiO2绝热材料导热性能的影响. SiO2（气相法气相法白炭黑）：吉必盛公司提供；无碱玻璃纤维：单丝直径11～17μm，使用前先对其进行表面处理和分散处理；黏结剂（实验室自制）；粉状纳米TiO2：作为红外遮蔽剂使用.纳米SiO2多孔绝热材料采用干法制备工艺，首先将气相法气相法白炭黑、玻璃纤维、TiO2颗粒和黏结剂四种原料充分分散混合均匀，进行封装回弹预处理，然后采用普通液压机成型工艺，在大气环境下制得尺寸D180mm×23mm的样块，最后对成型块体进行热处理后制得纳米SiO2多孔绝热材料.采用Philps公司Tecnai12透射电子显微镜（TEM，120 k V）对气相法气相法白炭黑和纳米TiO2形貌进行测量.用平板导热仪对测试样品热导率进行测量，参考中华人民共和国耐火材料《导热系数试验方法（水流量平板法）》试验方法（YB／T4130－2005）进行，热面由2 k W电炉提供热量，通过热电偶控制热面温度.从电炉加热开始，每隔2 min分别记录样品热面温度.当热面温度达到200℃时恒温50 min，温差调零后进行测量，共测三次，每次间隔10 min，取平均值.并继续测量500℃、900℃时样品热面温度.TEM对SiO2进行表征（制样分散剂为乙醇）.由图1可知，气相法白炭黑HL－150粒度集中在15～20 nm；HL－200的粒度集中在9～11 nm；HL－300粒度集中在6～8.5 nm；HL－380粒度集中在7～10 nm.图中黑块区及颜色较深区域均为粉体不同程度的团聚，比表面积越大，粉体粒度越小，越易团聚.从图2可以看出，气相法白炭黑HL－150制备的样板热导率最小，在200℃时其热导率达到0.029 W／m·K，500℃时热导率为0.033 W／m·K，900℃其热导率为0.043 W／m·K.气相法白炭黑HL－300制备的样板热导率最大，在200℃时其热导率达到0.043 W／m·K，500℃时热导率达到0.053 W／m·K，900℃其热导率达到0.072 W／m·K.超细粉体理论可知，超细粉体粒径越小，其比表面能越大，粉体粘连和团聚越严重.根据图1和图2可知，HL－150粉末直径在6.5～8.6 nm，且其比表面积最小，为127.33 m2／g.而 HL－300粉末直径在6～9 nm，且其比表面积最大，为284.96 m2／g.HL－300较HL－150其比表面能增大127.80%.这是因为随着粒子半径的减小，比表面积的增大，其表面能和表面张力都急剧增大；以及受纳米粒子小尺寸效应，使粉体粘连及团聚加剧，从而使样品原料分散不均，且粉体粘连及团聚形成二次大颗粒，进而造成颗粒堆积的孔增大，导致材料热导率增大；即对于不同形态的气相法白炭黑，粒径越小，粉体比表面积越大，其样板的热导率越大. 复合材料的性能不仅取决于增强纤维与基体的性能，而且在很大程度上取决于纤维与基体之间的界面粘结的强弱.界面作为增强纤维与基体之间的连接桥梁，起着纤维与基体之间的应力传递作用，界面强度对界面传递应力的能力有着直接影响，从而对复合材料的宏观力学性能及破坏模式起着决定性作用.由于玻璃纤维的长径比和比表面积均较大，极易相互缠结，聚集成团，在基体中难以达到良好的分散而极大影响了其材料性能的发挥，故需对其表面处理，以使其在基体材料中均匀分散，与基体紧密结合.而且，因为纤维的热导率远远大于硅质基体的热导率，因此纤维的长度对超绝热材料的热导率影响很大.由图3可知，随着纤维长度的增加，材料的热导率也随着温度的升高而增大.这主要是由于纤维越长，越不易分散，使其在材料内部团聚，分布不均，纤维相互缠结产生微米级孔洞，造成材料的热导率增大.其中12 mm长的纤维在900℃热导率比3 mm的纤维在900℃热导率分别高38.7%.但12 mm长比4.5 mm及3 mm 的纤维制品抗折强度分别高16%及6.3%，即不同纤维长度制备的材料制品的抗折强度之间没有明显的差别.这说明纤维长度越小，其在基体中的分散性越好.试验中选用纳米TiO2的粒度分别为120 nm，100 nm，80 nm.图4为TEM对TiO2形貌及分散性的表征，结果表明，纳米TiO2颗粒呈无规则形貌，TiO2粒子越细，团聚现象愈严重，这主要是随着粒子的粒径减小，粒子的表面积增大，表面能越大，粒子间越易团聚.图5为红外遮蔽剂选用不同粒径TiO2的隔热板试样在热面温度为200℃、500℃、700℃ 时导热率变化情况.由图4可知：随着温度的升高，材料的热导率显著增大，在200℃ 时，添加TiO2（100 nm）的试样热导率最低，添加TiO2（80 nm）及TiO2（120 nm）的试样热导率相近；随着温度的升高，直到500℃，添加TiO2（80 nm）的试样热导率快速升高，而添加TiO2（100 nm）及TiO2（120 nm）的试样热导率随温度升高缓慢呈直线增大；当温度继续升高，添加TiO2（80 nm）试样的热导率随温度升高趋势趋于缓慢，而添加TiO2（100 nm）及 TiO2（120 nm）试样的热导率随温度升高仍呈缓慢直线增大趋势；当温度达到900℃ 时，添加TiO2（80 nm）试样的热导率添加TiO2（100 nm）及 TiO2（120 nm）试样的热导率分别高了9.8%及6.3%.（1）利用气相法白炭黑为原料，对比更高比表面积的气相法白炭黑的制品，其导热系数最低.（2）随着纤维长度的增加，分散更加困难，在材料内部团聚，分布不均，纤维相互缠结，产生微米级孔洞材料，热导率随着温度的升高而增大.纤维在材料内的分散性还需进一步改善，以期提高材料综合性能.（3）加入纳米TiO2作为红外遮蔽剂可降低SiO2绝热材料的高温热导率，相比于粒径为80nm和120nm的TiO2，选用TiO2粒径为100 nm，试样热导率最低（200℃，0.037 W／m·K；500℃，0.056 W／m·K；900℃，0.067 W／m·K）.【相关文献】［1］高庆福，张长瑞，冯坚，等.氧化硅气凝胶隔热复合材料研究进展［J］.材料科学与工程学报，2009，27（2）：302－306，228.［2］RADOSLAV F，ZORAN O，IVAN S，et al.Synthesis of mesoporous silica particleswith controlled pore structure［J］.Ceramics International，2009，35：3347－3353.［3］张荣，李文怀，王琴.TiO2超细粉热稳定性的研究［J］.燃料化学学报，1997，25（4）：289－292.［4］邹炳锁，肖良质，赵家龙.TiO2超超微粒光学特性的研究［J］.吉林大学学报：自然科学版，1990（4）：117－119.［5］余锡宾，王桂华，罗衍庆，等.TiO2超微粒子的量子尺寸效应与光吸收特性［J］.催化学报，20（6）：613－617.［6］桑丽霞，钟顺和.TiO2／SiO2光催化剂分子级分散结构与吸光特性［J］.石油化工，2008，33：284－256.［7］黄占林，邓桦.染色棉织物的纳米TiO2抗紫外线整理［J］.染整技术，2009，31（12）：24－27.［8］陈明亮，张峰君，吴沅春.CNT／TiO2复合材料的合成、表征及其光催化性能分析［J］.新型碳材料，2009，24（2）：159－166.［9］徐颖琦，颜婷婷，朱苏康.棉织物的纳米TiO2和ZnO紫外屏蔽整理［J］.东华大学学报，2008，34（4）：387－391.［10］李晓菁，乔冠军，陈杰珞，等.TiO2纳米结构在染料敏化太阳电池中的应用［J］.化学进展，2008，20（4）：491－498.。
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材料加工工程 2011131004 许洋
表面覆层的形成与结合机理
表面与界面 表面与覆层界面结合概论 覆层表面结合的类型 覆层表面的结合性能与影响因素 覆层与基体的冶金结合 覆层成分的控制 融合区的特点
基材的受热变质
堆焊层的形成与结合
焊接缺陷的控制
本章提纲
2.1.1表面与界面 2.1.1表面与界面
1.纳米SiO 1.纳米SiO2的结构与形成 纳米
1个si和4个O形 成4个共价键,每个 Si周围结合4个O, 每个O与2个si相结 合,由此组成立体 网状的SiO 晶体。 SiO 气凝胶是由三 维纳米多孔网络结 构及分散其中的气 态介Your subtopic goes here
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在不均匀体系中,必然存在两个或者两个 在不均匀体系中 必然存在两个或者两个 以上性质不同的相,各相并存必然有界面 各相并存必然有界面,习惯 以上性质不同的相 各相并存必然有界面 习惯 上把气-固 气 液直接的界面称为表面 液直接的界面称为表面,固 液 上把气 固,气-液直接的界面称为表面 固—液 固之间的过渡区称为界面. 液—液 固—固之间的过渡区称为界面 液 固之间的过渡区称为界面