“金三发·当盛”杯获奖作品展 | 二等奖：高温隔热用Al2O3纤维毡增强二氧化硅复合柔性气凝胶

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作品设计的目的与意义

随着航天航空事业的发展，高温隔热领域如可重复使用的航天飞行器等，对隔热材料的要求越来越苛刻。利用纳米技术开发气凝胶隔热复合材料已成为目前研制高效隔热材料的主要方向。这是因为气凝胶材料的高孔隙率、纤细的纳米多孔网络结构，能够有效抑制热传导和热对流，因此被认为是目前隔热性能最好的固体材料。但传统的SiO2气凝胶是由次级粒子相互搭接堆叠形成三维网络结构的非晶固态材料，普遍存在力学脆性大和高温稳定性差的问题。

而Al2O3纤维是一种主要成分为氧化铝的多晶质高性能无机纤维，具有很好的高温抗氧化性，耐腐蚀性和电绝缘性。氧化铝纤维增强气凝胶复合材料广泛应用于保温和节能领域，但纤维与气凝胶之间固有的弱界面组合破坏了纤维的增强效果。

因此，本产品在Al2O3纤维搭建的骨架上原位生长耐高温的晶态莫来石晶须引入SiO2气凝胶，在提高纤维毡与气凝胶界面结合力的同时提高气凝胶的高温稳定性。

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原料与技术

（1）Al2O3纤维毡-莫来石晶须增强体的制备：

考虑到氧化铝纤维为无机纤维，无法进行非织造加固技术，因此将氧化铝纤维梳理成网后直接使用。

通过钼催化气相沉积制备莫来石晶须，将钼酸铵、六水合氯化铝与碱硅胶按一定比例混合配置成溶液，把氧化铝纤维毡真空浸渍在溶液中30 min。浸渍后的样品置于马弗炉中从室温升至900 ℃，保温2 h得到氧化铝纤维-晶须增强体。

（2）Al2O3纤维毡-莫来石晶须复合气凝胶的制备：

将甲基三乙氧基硅烷放入水和乙醇的混合溶剂中水解，滴加盐酸使PH=2.0~3.0。充分水解后滴加一定比例的氨水，倒入含有Al2O3纤维毡-莫来石晶须增强体的模具中，半小时内形成凝胶。用无水乙醇老化24 h后置于80 ℃烘箱中干燥8 h。工艺技术路线如图所示：

（3）产品的结构与性能：

图2是Al2O3纤维、Al2O3纤维毡-莫来石晶须增强体以及Al2O3纤维毡-莫来石晶须复合气凝胶的扫描电镜图片。由图b可看出在氧化铝纤维光滑的表面上长出细条状的莫来石晶须，图c可看出SiO2气凝胶中的Al2O3纤维毡-莫来石晶须增强体。

图3是将Al2O3纤维毡-莫来石晶须复合气凝胶放置在狗尾巴草上的照片，由图可看出复合气凝胶可平稳放置在纤毛上，显示其轻质的特点，Al2O3纤维毡-莫来石晶须复合气凝胶密度仅为0.18 g/cm3。

图4是纯SiO2气凝胶和Al2O3纤维毡-莫来石晶须复合气凝胶的压缩应变曲线。图4显示，在20%的压缩条件下Al2O3纤维毡-莫来石晶须复合气凝胶的压缩应变均高于纯SiO2气凝胶，Al2O3纤维毡-莫来石晶须的引入使力学性能提高了130%，且复合气凝胶的在多次的压缩回弹循环中表现更为稳定。

图5显示了纯SiO2气凝胶和Al2O3纤维毡-莫来石晶须复合气凝胶的隔热性能。由图5可看出，掺杂Al2O3纤维毡-莫来石晶须后隔热性能提高，比纯SiO2气凝胶温度低5 ℃，且掺杂Al2O3纤维毡-莫来石晶须后温度变化趋于稳定。图6是气凝胶的红外热成像照片，由照片可看出，Al2O3纤维毡-莫来石晶须复合气凝胶的隔热温度明显低于纯SiO2气凝胶，显示了其优异的隔热性能。

图2 扫描电镜。a: Al2O3纤维、b: Al2O3纤维毡-莫来石晶须增强体、c: Al2O3纤维毡-莫来石晶须复合气凝胶

   

图3 Al2O3纤维毡-莫来石晶须复合气凝胶实物图（尺寸：20mm*20mm*12mm）

图4 气凝胶压缩应变曲线

图5 气凝胶动态隔热曲线

 

图6 气凝胶红外热成像仪图像

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应用领域

应用领域：高温隔热

应用原理与方法：通过在Al2O3纤维搭建的骨架上原位生长耐高温的晶态莫来石晶须得到Al2O3纤维毡-莫来石晶须增强体，再将增强体引入SiO2气凝胶得到Al2O3纤维毡-莫来石晶须复合气凝胶，在提高纤维毡与气凝胶界面结合力的同时提高气凝胶的高温稳定性。

4作品的创新点

本产品是通过制备Al2O3纤维毡-莫来石晶须增强体，再将其与SiO2气凝胶结合，得到的一种优异的隔热性能以及压缩回弹性的Al2O3纤维毡-莫来石晶须复合气凝胶。

SiO2气凝胶是由次级粒子相互搭接堆叠形成三维网络结构的非晶固态材料，普遍存在力学脆性大和高温稳定性差的问题。纤维增强气凝胶复合材料是普遍的解决途径，但纤维与气凝胶之间固有的弱界面组合破坏了纤维的增强效果。

而本产品采用非织造成网工艺制备了Al2O3纤维毡，采用简单环保的方法，在Al2O3纤维表面原位合成了莫来石晶须。制备出的具有优异压缩回弹性的Al2O3纤维毡-莫来石晶须复合气凝胶，生长在纤维上的纳米莫来石晶须增强了界面结合，与复合前相比力学性能提高130%。在隔热实验中，复合气凝胶展现出更好的隔热性能，且具有很好的稳定性。

5. 作品实物照片

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