重復使用對纖維增強SiO2氣凝膠材料隔熱性能的影響

田響宇 韓銀龍 周 糧 吳 瓊 尚 磊 高慶福 張 博

1）中國航空制造技術研究院 北京100024

2）沈陽飛機設計研究所 遼寧沈陽110035

3）湖南榮嵐智能科技有限公司 湖南湘潭411100

近年來，隨著國際競爭日益激烈和世界軍事格局變化，對新型航空航天飛行器提出了更高要求［1-2］，具有高馬赫數、長航、可重復使用及多用途的航空航天武器裝備已成為各軍事大國的研究重點［3］。隨著飛行馬赫數增加，飛行器表面氣動加熱愈加嚴重，承受的熱環境將更加惡劣。穩定可靠的熱防護材料是飛行器安全服役的重要保障，也是新型航空航天飛行器亟待解決的關鍵技術之一［4-6］。

氣凝膠由納米骨架和納米多孔結構組成，是目前已知的熱導率最低的固體材料，在諸多領域有廣闊的應用前景，特別是在隔熱領域優勢明顯［7-10］。國外對于氣凝膠在隔熱領域的應用研究開展較早。1992年，Fricke等［16］成功制備了密度為120 kg·m-3、室溫熱導率0.013 W·（m·K）-1的SiO2氣凝膠；國內國防科技大學研制的納米多孔SiO2氣凝膠高效隔熱，密度0.25 g·cm-3，室溫熱導率0.019 W·（m·K）-1，800℃熱導率0.023 W·（m·K）-1，已經在航天領域應用［11-12］。

然而，目前的氣凝膠材料主要應用在使用環境較為溫和的民用建筑、管道保溫和單次短時使用的航天飛行器熱防護領域。多次重復使用的航空航天飛行器一方面服役環境復雜，同一型號不同部位所處的服役熱、力等環境有顯著區別；另一方面要求單次服役時間長，并且需要多次重復使用。而氣凝膠材料的納米結構表面能高，且納米骨架強度低，在反復的高溫條件下易發生燒結，骨架坍塌，使其失去納米孔結構，嚴重降低材料的隔熱效果。因此，氣凝膠隔熱材料的重復使用成為限制其在航空熱防護領域應用的關鍵問題之一［13］。

在本工作中，選取纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料為研究對象，利用石英燈紅外輻射對材料進行單面加熱來模擬材料使用環境，研究重復使用（以650℃保溫4 h為1次）對材料隔熱性能的影響，分析重復使用對隔熱性能的影響機制，以期為新型航空航天飛行器應用提供指導。

1 試驗

1.1 樣品選取

本工作選用的兩種纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料的基本物理性能見表1。

表1 纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料基本物理性能Table 1 Main physical properties of fiber reinforced SiO2 aerogel insulation materials

將M和X兩種纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料分別裁切為300 mm×300 mm×12 mm和300 mm×300 mm×20 mm平板狀試樣，通過石英纖維線將兩種材料緊密縫合，制備成待測樣品。圖1為待測樣品實物照片。

1.2 試驗過程

通過石英燈紅外輻射對待測樣品進行單面加熱，模擬材料服役熱環境，同時記錄樣品冷面溫度，表征樣品隔熱性能。加熱時M側為受熱面，熱面在10 s內由室溫升至650℃保溫4 h。圖2為石英燈紅外輻射加熱裝置示意圖。

圖1 待測樣品實物照片Fig.1 Pictures of sample to be tested

圖2 石英燈紅外輻射加熱裝置示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of quartz lamp infrared radiation heating device

本次試驗中，以650℃保溫4 h為1次，重復使用0、10、20、30次后試驗樣品分別標記為T0、T10、T20、T30，通過對比重復使用不同次數（0、10、20、30次）后樣品冷面溫度，表征重復使用對纖維增強SiO2氣凝膠材料隔熱性能的影響。

采用場發射掃描電鏡對樣品T0、T10、T20、T30微觀結構進行表征，并采用氮氣吸附法對不同樣品比表面積及孔結構進行測量；采用傅里葉紅外光譜儀對試驗樣品組成進行表征。

2 結果與討論

2.1 隔熱性能

圖3示出了不同樣品在熱面650℃條件下冷面溫度隨時間的變化曲線。

圖3 重復使用后冷面溫度隨時間的變化曲線Fig.3 Curve of cold surface temperature as a function of time after reuse

由圖3可以看出：不同重復使用次數的樣品冷面溫度均隨時間延長而升高，其中在0～100 min時增加較快，且3組樣品在0～50 min時升溫速率保持一致；50～100 min時，升溫速率T30＞T20＞T10；160 min后冷面溫度逐漸穩定，傳熱過程達到穩態，其中，重復使用10次（T10）后的冷面溫度為106℃，20次重復使用（T20）冷面溫度升至113℃，30次重復使用（T30）后已經達到124℃。因此，樣品的隔熱性能隨重復使用次數的增加明顯下降。

2.2 機制分析

2.2.1 紅外光譜

圖4示出了重復使用不同次數后M層和X層材料的FI-IR曲線。由圖4可以看出：兩種材料主吸收峰均出現在1 085、800和465 cm-1附近，分別對應Si—O—Si的不對稱收縮振動、對稱收縮振動、彎曲振動，符合典型的SiO2氣凝膠結構。隨著重復使用次數的增加，兩種材料主吸收峰的峰位置沒有發生變化，說明Si—O—Si未發生明顯破壞，重復使用并未改變材料組成。

2.2.2 顯微結構

圖5為重復使用不同次數后樣品的SEM圖片，M層取樣位置為距熱面約2 mm處，X層取樣位置為距M、X兩層界面約2 mm處。

圖4 重復使用不同次數后樣品的FI-IR曲線Fig.4 FI-IR curves of samples reused for different times

圖5 重復使用不同次數后樣品的SEM圖片Fig.5 SEM images of samples reused for different times

由圖5可以看出：未使用過的原始樣品的SiO2氣凝膠納米骨架清晰可見，由納米級的骨架結構組成了大量的納米孔結構。隨著重復使用次數的增加，M層材料納米顆粒之間發生燒結長大，形成了大量的團簇結構，部分孔結構坍塌，納米孔逐漸減少。當重復使用次數達到30次時，材料已經出現明顯的燒結現象，納米孔結構減少十分明顯。X層材料隨使用次數的增加微觀結構變化趨勢與M層的相同。但由于X層材料本身所處的溫度較低，燒結程度沒有M層的嚴重。

2.2.3 比表面積與孔徑

圖6示出了不同樣品的等溫吸附-脫附曲線對比。由圖中可以看出：隨重復使用次數的增加，M層和X層氮吸附量明顯下降。

根據BET原理計算出樣品的比表面積和總孔體積見表2。由表2可知：隨重復使用次數的增加，樣品比表面積和總孔體積明顯下降。重復使用30次后，M層比表面積由184.02 m2·g-1降至71.85 m2·g-1，總孔體積也由1.79 mL·g-1降低至0.52 mL·g-1。X層的變化趨勢與M層的一致，比表面積由152 m2·g-1下降到109.44 m2·g-1，總孔體積由1.58 mL·g-1下降至0.98 mL·g-1。說明重復使用會導致氣凝膠隔熱材料孔結構減少，這與SEM結果一致。

圖6 不同樣品等溫吸附-脫附曲線Fig.6 Isothermal adsorption-desorption curves of different specimens

表2 樣品的比表面積與總孔體積Table 2 Specific surface area and pore structure of samples

3 結論

（1）多次重復使用會導致纖維增強SiO2氣凝膠材料隔熱性能下降；重復使用10次時，冷面溫度僅為106℃；重復使用30次時，冷面溫度已經升高至124℃。

（2）纖維增強SiO2氣凝膠材料主要由Si—O—Si組成，重復使用不改變其組成。

（3）隨著重復使用次數的增加，纖維增強SiO2氣凝膠材料中納米氣凝膠顆粒發生燒結長大，總孔體積減少是其隔熱性能衰減的主要原因。