RF冻干气凝胶及其复合材料的制备和能量储存与传输性能研究

发布时间：2020-05-22 08:02

【摘要】：间苯二酚-甲醛(RF)气凝胶是一种具有轻质、吸音、防火、低导热系数等优异性能的纳米多孔材料,可应用于交通、建筑、船舶、飞行器等领域。与其它传统的酚醛泡沫材料相比,RF气凝胶拥有更低的导热系数和更高的吸音能力。然而,这种材料存在力学性能不高和脆性大的缺点,在很大程度上限制了其应用。为了解决这些问题,本课题提出采用纳米颗粒(氧化锌,蒙脱土)和玻璃纤维材料(玻璃纤维布,玻璃纤维毡)与其进行复合,通过颗粒和纤维增强的方法来提高RF气凝胶的力学性能。目的是将RF气凝胶的优异性能与增强材料的高强度、高模量相结合从而获得多种既轻质高强又防火吸音的材料。在此基础之上,本文先后研究了多种RF气凝胶及其复合材料的制备工艺并对其进行了表征,各种RF气凝胶及其复合材料的力学性能和多种能量(热、声和电)储存与传输性能及其影响因素,以及各种能量储存与传输性能的理论与实际应用机理,并从量子的角度对其机理予以解释。为了获得适合本课题的RF气凝胶,论文探讨了单组分的均相RF气凝胶的制备工艺:先制备甲醛与间苯二酚前驱体,其中甲醛与间苯二酚的所占比重为20%,再经过溶剂置换、酸洗老化和冷冻干燥最终得到性能优异的RF气凝胶(Na_2CO_3作催化剂,叔丁醇为置换溶剂,乙酸为老化溶剂)。在其基础上通过对溶剂置换、酸洗老化的过程进行微调,制备得到了多重结构RF气凝胶材料,最后将聚苯胺(PANI)和苯胺/植酸气凝胶(AP)组分分别加入其制备过程,获得了多组分的PANI/RF和AP/RF气凝胶。在制备得到各种RF气凝胶材料后,对其成分、结构、孔隙状况和力学性能分别进行了表征。本文首先采用纳米颗粒及玻璃纤维增强材料与单组分RF气凝胶材料进行复合,改善了RF气凝胶材料的力学性能。结果表明,与单组分均相RF气凝胶相比,RF气凝胶复合材料的密度增加,孔隙质量和比表面积都有所下降,但是其力学性能有了明显提升。其中,纳米颗粒和玻璃纤维都会一定程度增强其各项力学性能,相比来说,玻璃纤维对其力学性能的改善更加明显,往往能提高一个数量级以上。另外纳米颗粒和玻璃纤维协同增强材料拥有最好的力学性能,其压缩、弯曲、拉伸强度和冲击韧性分别为4.21MPa、10.51MPa、9.64MPa和5.79kJ/m~2远高于单组分的RF气凝胶。这主要是因为:颗粒的加入,在一定程度上起到了阻止应力传递的作用;玻璃纤维的加入一方面增强了材料整体的结构强度,另一方面其三维交织的网络对应力起到了缓冲的作用。随后,对制备的多种RF气凝胶及其复合材料的能量储存与传输性能进行了研究,并分析了其各种影响因素。结果表明:对于本文设计的其它气凝胶,多重结构RF气凝胶具有优异的储音和隔音效果(隔音效果比均相的RF气凝胶约高3倍左右),而PANI/RF和AP/RF则具备优异的储电性能(它们在0.2A/g电流密度下的比电容分别为280F/g和420F/g),另外制备了Mold-AP和Mold-AP/RF气凝胶获得了优异的定向导电性能(比非定向结构高4倍以上);对于复合气凝胶,纳米颗粒增强了RF气凝胶材料增强了其耐热和燃烧性能,而玻璃纤维的加入使其耐热性能提高,但燃烧性能反而下降到B1级,另外玻璃纤维布降低了其热量传输,增强了其隔热性能;同时,重点研究了影响其各项能量传输性能的因素,总的来说其主要影响因素存在共性,包括固含量、组分构成、结构、增强材料种类等等,除此之外,还有特性的温度、匹配度、电阻率等其他因素。最后对各种RF气凝胶材料的各项能量的储存与传输的理论进行了分析,并推导了其各项能量的理论分析公式,然后结合第五章的实验结果举例阐明了其的各项能量的储存与传输机理。另外,通过三种能量形式各自的理论与机理分析,并引入了物理学量子概念,从微观粒子角度总结了其通用机理,将物理原理与材料的实际应用更紧密的结合起来,加深了各学科之间的联系。
【图文】：

应用领域,气凝胶,有机气凝胶,导热系数

RF 冻干气凝胶及其复合材料的制备和能量储存与传输性能研究能量传输的机理与模型，对于更深入的研究材料的各项性能之间的关系从而制备出异的 RF 气凝胶及其复合材料具有非常重要的指导意义，除此之外，它对于拓展各联系与共同发展具有十分重要的促进作用。机气凝胶国内外应用研究现状于现有的研究报道，有机气凝胶在热、电、声等领域都有广泛的应用前景，可被应天、军事装备、潜艇、电容电池等领域（如图 1.1 所示）。

示意图,有机气凝胶,结构变化,反应式

南京航空航天大学博士学位论文是溶胶在聚合沉降过程中的特殊状态，凝胶体系不会像聚沉过程一样生成沉淀，它仍然具力学的稳定状态。溶胶-凝胶的具体过程可概述如下：在反应溶液中反应分子之间首先会反应生成基元粒子后这些基元粒子会在反应的过程中不断的融合其他反应分子从而长大成核，这些核会起到凝胶中心的作用，继续生长后形成最初的溶胶骨架粒子，最后溶胶粒子会与相邻的溶胶粒生交联作用形成最终三维凝胶骨架网络。实际上，粒子的长大、支化和交联过程是在整个中都在进行的，因此，，最终的凝胶结构的状态是由成核、粒子生长以及交联的速率三者共定的[63,64]。气凝胶的制备过程主要包括溶胶凝胶、酸洗老化、溶剂置换以及干燥四个主要过程。其中凝胶的制备过程为前三个，最后一个是由湿凝胶向最终气凝胶材料制备的过程。有机气凝制备过程与无机气凝胶大致相同，各阶段对于凝胶结构的影响也相似，因此下面主要以间酚甲醛（RF）有机气凝胶为例来详细讨论凝胶的制备过程以及各阶段对凝胶结构的具体影响 2.1 是 RF 气凝胶的化学反应式以及从成核、交联生长到最后干燥过程中的结构变化示意图以 RF 气凝胶的制备过程为例）。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ427.26;TB332

【参考文献】