超轻质SiO2气凝胶隔热复合材料制备与性能文献综述

 2021-10-25 21:04:50

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文 献 综 述一、引言硅材料本身的热传导系数很低,当其具有很高的孔洞率和很低的表观密度时能有效阻隔热量的固体传导和气体传导,特别当孔径小于红外波长时隔热效果将有本质上的突变和提高。

据测定SiO2气凝胶本身也有极低的热导率,SiO2气凝胶的固体热传导率比其在玻璃态时要低2~3个数量级。

SiO2气凝胶的保温隔热效果与材料本身极低的表观密度和内部大量的孔洞有关,其具有高通透性的圆形多分枝纳米孔三维网络结构和极高的孔洞率、极低的密度、极高比表面积,体密度在0.003~0.500g/cm3范围内可调。

气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚集构成的纳米多孔网络结构,并在孔隙中充满气态介质的高分散、轻质、多孔、非晶态固体材料。

组成凝胶的基本粒子直径和孔洞尺寸均在纳米量级,因此具有密度低( 可低至0. 003 g / cm3 )、孔隙率高(80% ~99. 8% 以上)、比表面积大( 可达800~1000 m2 / g 以上) 的特点[1~4]。

由于该材料内的孔径( < 50 nm) 小于空气分子的平均自由程(70 nm) [5] ,且固体含量非常低,能有效地抑制气态热传导和固态热传导,从而使得气凝胶在室温下具有极低的导热系数( 可达0. 013 W/ (mK) ) [6~8]。

因具有优异的隔热性能,气凝胶作为保温隔热材料广泛应用于航空航天、建筑、石油热力等各个领域。

目前工程上应用技术最为成熟的是密度约为100 kg /m3 的气凝胶,而对于轻量化程度要求极高的航空航天领域,需要在满足隔热性能的前提下,制备低密度( < 40 kg /m3 ) 的气凝胶复合材料以满足使用需求,因此制备密度更低的气凝胶块体材料很有必要[9~10]。

二、SiO2气凝胶概述2.1 SiO2气凝胶的结构图1描述了溶胶-凝胶工艺制备SiO2气凝胶过程中三维纳米网络结构的生长过程。

以正硅酸乙酯(TEOS)作为硅源为例,首先,正硅酸乙酯经水解反应,羟基逐步取代烷氧基,羟基之间再通过缩聚反应生成具有[SiO4]四面体结构的初级胶体粒子,如图2所示[11]。

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