二氧化硅气凝胶复合材料可重复使用性能研究

二氧化硅气凝胶复合材料可重复使用性能研究

杨帮丽

贵州航天乌江机电设备有限责任公司 贵州省遵义市  563003

摘要

本研究从二氧化硅气凝胶出发，对二氧化硅气凝胶复合材料可重复使用性能进行研究，重点关注其耐温性能和耐水性能进行了多项性能测试。研究发现，二氧化硅气凝胶复合材料表现出出色的耐温性能和耐水性能，适用于各种高温湿润环境下的应用。

关键词：二氧化硅气凝胶；复合材料；可重复使用性能

气凝胶，作为目前已知的最轻的固体材料之一，以其出色的保温性能和多种优异特性，在众多领域中崭露头角，如隔热、空间技术、催化、吸声等。在这些应用领域中，二氧化硅气凝胶因其多孔结构、高比表面积和轻质特性等卓越性能而备受瞩目，被广泛用于各种工程和科研领域。然而，尽管二氧化硅气凝胶在单次使用的情况下表现出色，但对于需要长期使用或多次循环使用的应用来说，材料的可重复使用性能成为至关重要的因素。目前，大多数研究集中在二氧化硅气凝胶的基本性质、制备工艺和单次性能上，而很少有关于其可重复使用性能的详尽研究。因此，本研究旨在填补这一研究领域的空白，深入研究二氧化硅气凝胶复合材料的可重复使用性能，以更好地了解其在实际应用中的潜力和限制。

1  二氧化硅气凝胶概述

二氧化硅气凝胶的制备方法多种多样，不同的制备方法可以调控气凝胶的孔隙结构和孔径分布，以满足不同应用需求。常见的制备方法有溶胶-凝胶法、超临界干燥法、沉淀法、胶体自组装法等。其中，溶胶-凝胶法是最常用的方法之一，它涉及将硅源（如硅酸酯或硅酸钠）溶解在溶剂中，形成胶体，然后通过加入催化剂或调节pH值，使溶胶凝胶化。最后，通过干燥去除溶剂，得到固态的气凝胶。

二氧化硅气凝胶的独特之处在于其具有独特的孔洞结构，由三维的网络结构组成，其孔径通常在1到100纳米之间，孔洞率高达80%到99.8%，这使得它成为材料科学领域中的明星。这些微观孔洞赋予了二氧化硅气凝胶极高的比表面积，通常在200到1000平方米每克之间，使其具备出色的吸附性能。此外，二氧化硅气凝胶的导热系数极低，一般在0.01到0.03 W/(m·K)之间。这意味着它在隔热领域具有巨大的潜力，能够有效地降低热量的传导，提高绝热性能。二氧化硅气凝胶还具备良好的耐热性能，在高温环境下能够保持其稳定性，并且其密度通常在0.1至0.5克/立方厘米之间。这种低密度、耐热性能使得它在高温应用领域，如航空航天和火箭技术中得到广泛应用。

2  二氧化硅气凝胶复合材料可重复使用性能研究

2.1 二氧化硅气凝胶复合材料的耐温性能

二氧化硅气凝胶是由细小的二氧化硅颗粒组成的多孔材料，具有高度的孔隙率和比表面积。由于孔隙结构的存在，二氧化硅气凝胶可以降低热传导率，从而有效地隔绝高温，防止热量传递到背后的设备和结构。此外，二氧化硅气凝胶具有较低的比热容和热膨胀系数，这意味着在高温条件下，其温度变化较小，不会引起明显的体积变化或热膨胀，维持结构稳定性的能力非常强大。在制备二氧化硅气凝胶复合材料时，通常采用溶胶-凝胶法、超临界干燥法等方法，将二氧化硅气凝胶与其他材料（如聚合物或陶瓷）混合，并形成复合结构。在高温环境下，二氧化硅气凝胶复合材料热传导率远低于传统绝缘材料，如泡沫塑料或玻璃纤维。这意味着复合材料可以在高温环境下有效地减缓热传递，保护设备和结构不受热损伤。

为评估二氧化硅气凝胶复合材料在高温环境下的稳定性，进行多次高温循环实验，模拟复合材料在实际应用中的工作条件。实验条件包括持续高温暴露、热循环和热冲击等。在持续高温暴露测试中，将二氧化硅气凝胶复合材料置于高温炉中，持续高温暴露。结果显示，在高温（超过500摄氏度）条件下，复合材料的性能基本稳定，未发生明显的结构破坏或性能下降。在热循环测试中，将复合材料置于交替高温和室温环境中，模拟实际应用中的工作条件。多次热循环后，复合材料仍保持了其优越的隔热性能，表现出极佳的耐温性能。最后，进行了热冲击测试，将复合材料迅速置于高温环境中，模拟突发高温情况。结果显示，复合材料在热冲击后仍能保持结构完整，不发生明显的破裂或损坏。综合多次高温循环测试的实验结果，可以得出结论，二氧化硅气凝胶复合材料在多次高温循环后依然能够保持稳定，没有明显的性能衰减或结构破坏。这一可重复使用性能对于需要长期高温工作的应用非常关键，例如航天器隔热、高温工业设备绝缘等。二氧化硅气凝胶复合材料的耐温性能和可重复使用性使其成为解决高温环境下隔热和保护的理想选择，同时降低了维护成本和材料更换的频率。

2.2 二氧化硅气凝胶复合材料的耐水性能

二氧化硅气凝胶是一种多孔材料，其表面具有大量的活性位点，具有吸附水分子的能力。这些表面位点可以与水分子形成氢键，导致二氧化硅气凝胶吸湿。为提高二氧化硅气凝胶的耐水性能，将其与聚乙烯或聚丙烯等聚合物材料复合，制备具有隔水性能的复合材料。复合材料的制备过程中，使用均匀混合、溶液浸渍、热处理等制备方法，确保聚合物与二氧化硅气凝胶之间的结合牢固。

为了全面评估二氧化硅气凝胶复合材料的耐水性能，进行浸泡实验、湿热循环实验、水冲击测试等一系列耐水性能测试。在浸泡实验中，将二氧化硅气凝胶复合材料样品浸泡在水中，模拟湿润条件下的暴露情况，观察材料在长时间接触水分后的性能变化，判断其在湿润环境中的稳定性。实验结果显示，二氧化硅气凝胶复合材料在水中浸泡后依然能够保持其多孔结构和隔热性能。在湿热循环实验中，将样品先置于高温高湿环境，然后迅速转移到室温干燥环境，反复多次。实验结果显示，二氧化硅气凝胶复合材料在湿热循环后仍然能够保持其性能，没有出现明显的性能下降。水冲击测试将高压水流直接冲击复合材料表面，以模拟可能的水冲击情景。结果显示，二氧化硅气凝胶复合材料在水冲击后保持其结构完整性，没有发生明显的破坏。综合上述耐水性能测试的结果，二氧化硅气凝胶复合材料多孔结构不易受到水分的侵蚀，保持了稳定的性能。这一性能特点使得二氧化硅气凝胶复合材料在湿润环境中具备出色的可重复使用性能，为长期暴露于湿润条件下的应用提供了可靠的隔水保护。

结论

综合而言，二氧化硅气凝胶隔热复合材料在高温和湿润环境下均表现出卓越的性能，具备良好的可重复使用性。这一研究为该材料在各种隔热应用中的广泛应用提供了科学依据，同时也为多孔材料的可重复使用性能研究提供了有益的参考。期待这一研究成果能够为材料科学和工程领域的进步贡献一份力量，推动高温和湿润条件下的隔热技术的发展和创新。

参考文献

[1]刘晨,赵建红,王博学等.聚酰亚胺/二氧化硅气凝胶复合材料研究进展[J/OL].化工新型材料:1-11.

[2]郭建业,赵英民,张丽娟等.高温可重复使用二氧化硅气凝胶复合材料性能研究[J].材料导报,2019,33(S1):202-205.

[3]陈茹,冯军宗,姜勇刚等.二氧化硅气凝胶复合材料可重复使用性能研究[J].稀有金属材料与工程,2018,47(S2):267-271.