耐高溫氣凝膠絕熱材料的研究進展

李萬景　劉溧　高相東

摘 要： 絕熱材料主要是指可以阻止或者減少輻射、對流、傳導所形成的熱傳遞材料，其在熱力設備、管道、保溫及保冷方面具有重要應用。因多數絕熱材料存在多孔的網狀結構，并具有疏松多孔、高強度、阻燃性強等優點，也常用于建筑行業。氣凝膠就具備獨特的納米網狀結構，其體積密度較小，熱導率甚至低于空氣，氣凝膠已成為首選的絕熱材料。基于此，本研究通過分析氣凝膠的絕熱機理，結合相關實例探討耐高溫氣凝膠絕熱材料的研究進展。

關鍵詞：耐高溫氣凝膠;絕熱材料;研究;應用

1 前言

絕熱材料廣泛應用于化工與冶金、能源、航空航天等領域，隨著科學技術的進步，有關工藝技術在不斷提升，對絕熱材料的選擇亦提出更為嚴格的要求。對比傳統的隔熱材料而言，雖然擁有不錯的隔熱性能，但是沒有體現出耐高溫特點，加上密度大，在實際應用中存在明顯的缺陷。多數氣體的導熱系數相對較低，可因為存在對流傳熱的效應，加上紅外輻射的影響，并不能將氣體單獨視作絕熱材料。氣凝膠屬于分散介質是氣體的凝膠材料，它主要是由膠體粒子或者高聚物分子聚集形成的納米多孔性固態材料，以SiO2氣凝膠為例，其孔隙率甚至可達到99%，常溫狀態下的熱導率極低，擁有較好的隔熱性能[1]。

2絕熱材料的分類及特性

當前，針對常見的絕熱材料種類有多種劃分方法，依據材質的差異可分成無機類、有機類、金屬類;依據形態不同又可分成纖維狀、氣泡狀、多孔狀、粉末狀等;利用施工方式可劃分為填充式、罐裝式、包裹式等;結合組織結構則涉及到有機高分子型、多孔顆粒型、多孔纖維型等[2]。不同種類的絕熱材料具體應用范圍自然存在差異，通常無機類絕熱材料因具備耐腐蝕、不易燃等特性，多應用于管道或者設備的保溫，像珍珠巖、硅酸鹽及泡沫混凝土等;有機類的絕熱材料總體上密度較小且導熱系數相對較低，可用作低溫保冷項目，像軟木、聚氨基甲酸酯泡沫等。在不可再生能源日益匱乏的條件下，探尋出低碳環保、性能優良的新型絕熱材料尤為重要，耐高溫氣凝膠絕熱材料的應用就屬于更好的選擇。

3耐高溫氣凝膠絕熱材料的絕熱機理

按照通常傳熱過程劃分，主要包括四種形式，即固體材料熱傳導、氣體分子的熱傳導、氣體的對流傳熱以及紅外輻射傳熱過程。在計算最終熱量傳遞期間，需要將上述四種傳熱方法獲得的總熱量予以統計。針對耐高溫氣凝膠絕熱材料而言，之所以能夠保證擁有良好的絕熱性能，就在于具備較低的熱導率，從上述四個方面觀察，對傳導過程分析如下。

3.1在固體熱傳導階段

氣凝膠表現為固體時，其質量分數相對較小，并且呈現為多孔的狀態。氣凝膠的孔直徑多屬于納米級，單從固相特征觀察，表現為眾多微孔所構建起來的薄孔壁。熱量在固體物質中傳遞期間必須要經過持續性的傳導，由于氣凝膠固體導熱能力較差，又加上路徑漫長效應的影響，自然會影響到熱量的傳導。研究發現，耐高溫氣凝膠絕熱材料的熱傳導率在固態狀態下明顯低于玻璃狀態[3]。

3.2在輻射熱傳導期間

氣凝膠材料擁有獨特的納米孔結構，在其內部構成眾多的固氣界面。實現熱輻射期間，對應的射線在穿到該界面過程中，會出現吸收、反射和再輻射的過程，這就相當于在熱輻射射線穿越界面期間受到多重阻礙，經過來回反射和吸收，最終導致熱輻射傳導能力急劇降低，多數熱量喪失于表層，因此氣凝膠絕熱材料表現出常溫狀態下輻射熱傳導低的特點。

3.3氣體分子熱傳導過程

氣體熱量傳導的過程通常結合碰撞理論來解釋，在傳導期間主要是溫度狀態下速度較快的分子碰撞到了低溫狀態下速度較慢的分子，從而實現能量傳遞的過程。正常狀態下，氣體分子的自由程屬于納米級范圍，而氣凝膠的氣孔尺寸一般低于該臨界值，表現出氣凝膠納米孔中的氣體分子難以有效碰撞的特點，這就會從根本上阻斷氣體分子傳熱的過程。

3.4對流熱傳導的過程

正常狀態下，進行對流熱傳導均處于較大的空間范圍內，而氣凝膠的氣孔孔徑值通常較低，多數為納米范圍。在構建成納米孔的情況下，空氣分子自然不具備宏觀遷移能力，這也說明該狀態并不滿足對流傳熱的條件，所以對流熱傳導過程無法在耐高溫氣凝膠絕熱材料中實現[4]。正是由于氣凝膠絕熱材料具有上述特性，最終才表現出較低導熱系數的狀態。

4耐高溫氣凝膠絕熱材料的制備過程

針對氧化物氣凝膠而言，其合成步驟通常涉及到溶膠—凝膠水解縮合與超臨界干燥兩個方面。通常在形成凝膠以后，在經歷修飾、防開裂處理后就會達到醇凝膠狀態，滿足該條件時就可以實施干燥。在采取傳統干燥方法期間，主要是直接予以加熱處理，不過，因凝膠表面存在親水離子團，這會導致凝膠微孔具備較強的毛細作用，這種毛細作用力會使凝膠體中的孔隙逐漸消失，在不斷壓縮凝膠體積的條件下，最終致使開裂。按照當前的干燥處理過程，可劃分為超臨界干燥與非超臨界干燥。

第一，應用超臨界干燥處理時，主要表現為超臨界狀態會使氣液界面趨于消失，表面張力無法發揮其作用。在此條件下，當超臨界流體從凝膠中排除時，并不會出現結構塌陷或者骨架收縮的情況，可保證氣凝膠的快狀整體性。

第二，采用非超臨界干燥期間，主要是在凝膠陳化后，使用表面張力相對較小的液體取代張力較大的液體，然后借助常壓條件實施干燥過程得到氣凝膠。通常純氣凝膠擁有脆性高、強度小、高溫狀態下輻射熱傳導上升迅速等特征，為了確保其擁有更好的應用性能，要對其進行復合改性處理。例如，針對SiO氣凝膠而言，為了提升其韌性，可加入無機纖維，最終實現提升抗壓強度、擁有耐溫性的目標[5]。

4.1AlO氣凝膠

Al2O3氣凝膠擁有密度小、高孔隙率、結構強度大等特點，它在載體、隔熱、催化劑方面有極大的應用價值。從AlO氣凝膠的制備過程來看，其與SiO氣凝膠較為相似，采用的是溶膠—凝膠工藝與超臨界干燥方式，通常是借助醇鋁鹽或者無機鋁鹽水解縮聚來實現。除去單獨制備純AlO氣凝膠外，還可以將其和其它種類的氧化物進行復合。

4.2ZrO氣凝膠

研究表明，ZrO的電學、力學和光學方面擁有不錯性能，該物質的氣凝膠同樣具備良好性能，屬于高溫輕質絕熱材料的不錯選擇。在制備ZrO氣凝膠期間，通常應用鋯醇鹽或者無機鋯鹽為原材料，借助沉淀法或者溶膠—凝膠法來進行制備。選擇無機鋯鹽制備ZrO2氣凝膠時，首先要將無機鋯鹽的醇水溶液進行加熱，改變溶液的介電常數，使其在轉變成飽和狀態后變成膠體。

5結語

綜上所述，耐高溫氣凝膠絕熱材料能夠彌補傳統隔熱材料的不足，在多個領域具有重要的應用價值。不過，在實際制備過程中，制備得到的氣凝膠材料通常屬于粉體，而且在應用階段，純氣凝膠本身力學強度較低，通常要借助纖維增強復合改性，同時，在制備過程中必須考慮成本問題，需要保證成本可控。因此，只有借助復合、摻雜改性等處理過程，才能保證氣凝膠絕熱材料性能進一步提升。

參考文獻

[1] 彭飛，姜勇剛，馮堅，等. 耐高溫氧化鋁氣凝膠隔熱復合材料研究進展[J]. 無機材料學報，2021，36（7）：673-684.

[2] 羅偉，王林生，陳裕欣，等. 有機-無機復合氣凝膠的制備及其阻燃性能研究進展[J]. 復合材料學報，2021，38（7）：2056-2069.

[3] 呂雙祺，李想，左渝鈺，等. 氣凝膠隔熱復合材料在空天飛行器熱防護技術中的應用[J]. 飛航導彈，2020（5）：19-25.

[4] 沈曉冬，吳曉棟，孔勇，等. 氣凝膠納米材料的研究進展[J]. 中國材料進展，2018，37（9）：671-680.

[5] 丁逸棟，劉朝輝，王飛，等. SiO氣凝膠絕熱涂層隔熱與耐高溫性能研究[J]. 表面技術，2017，46（4）：197-204.