泡沫金属与三元气凝胶复合材料隔热性能研究
发布时间：2021-01-18 12:46
作为一种新型材料,气凝胶因其多纳米孔隙、密度低、隔热性能好等特点,在各种生活领域都有着广泛的应用,在航天器的隔热领域应用前景尤为广阔。但是气凝胶存在力学性能差,比较脆性,受力程度低,无法直接作为隔热材料;泡沫金属具有低密度、低热导率、力学性能优秀且耐高温等特点,然而相比气凝胶,它受辐射影响较大,热导率更高。综合这两种材料的特点,将气凝胶和泡沫金属进行复合以期制备出有良好隔热性能的新型隔热材料。本文采用了数值模拟方法分别研究了以Al2O3气凝胶为主体的Al2O3SiO2ZrO2多元复合气凝胶、泡沫镍、Al2O3SiO2ZrO2多元复合气凝胶/泡沫镍复合结构的隔热性能。采用comsol软件建立了球棍模型,并分别对SiO2气凝胶、ZrO2气凝胶、Al2O3气凝胶及不同n（Al）:n（Si）:n（Zr）比例的Al2O3SiO2ZrO2多元复合气凝胶进行了模拟传热分析,得出导热性能最佳摩尔比为12:4:2,此比例下的复合气凝胶相比纯Al2O3气凝胶,300K温度下有...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
泡沫金属表征模型
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4低密度、高比表面积、低热导率的性能优点[14]，气凝胶的优越性能使它在光学、电学、热声学、化学等领域备受青睐[15]。图1-2二氧化硅气凝胶结构图（1）气凝胶的发展背景1931年s.s.kistler采用溶胶/凝胶法搭配超临界干燥法首次成功制备出了SiO2、Al2O3和Fe2O3等气凝胶；1966年J.B.Peri利用硅脂通过溶胶/凝胶法也制备了SiO2气凝胶，但是他制备工艺的干燥周期相比之前的学者干燥周期得到很大程度的缩短，进一步的促进了气凝胶的发展；1980开始气凝胶已经得到了应用，Cerenkov便在探测器的部件上应用了氧化硅气凝胶，20世纪80年代末，R.W.Pekala等人采用Resorcin和Formaldeh作为原料，利用溶胶/凝胶法制备了RF有机气凝胶，炭化后得到了碳气凝胶；1985年Tewari将CO2作为超临界干燥介质顺利地进行了湿凝胶的干燥，得以实现在室温下干燥气凝胶，使得实验更加安全及稳定；但是由于凝胶孔径为纳米级别，以致于制备过程漫长复杂，一直以来，在气凝胶易破碎、、老化置换时间长、干燥周期长、工艺复杂等缺点前，越来越多的研究方法得以扩展研究，例如常压干燥、表面改性、增强体掺杂等[14]。随着气凝胶的迅速发展，种类也愈加繁盛，气凝胶从组分上看主要分为三大类：炭气凝胶、有机气凝胶和无机气凝胶，随着研究，也有了无机-有机种类气凝胶；从组成类数上看主要分为两类：单组份气凝胶、多组分气凝胶。大多数氧化类气凝胶例如氧化硅气凝胶、氧化锆气凝胶、氧化铝气凝胶等划为无机气凝胶，也是单组份气凝胶，有机气凝胶常见的主要有间苯二酚-甲醛气凝胶、苯酚-甲醛气凝胶等，而炭气凝胶为有机气凝胶高温炭化的产物，多组分
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文6图1-3气凝胶形成过程[15]1.2.3氧化物气凝胶国内外研究现状目前应用研究最多的氧化物类气凝胶主要有:氧化铝气凝胶、氧化硅气凝胶、氧化锆气凝胶及氧化物复合气凝胶。（1）单组份氧化物气凝胶氧化铝气凝胶的微观形态是由无定形态和多晶形态共同组成，以致于它相比其他种类的气凝胶拥有更好高温稳定性，一般能耐1000℃左右的高温；在微观结构上它主要由针叶状和片状的颗粒组成，导致它与其它微观结构上由颗粒堆叠的气凝胶相比没有很高的比表面积，但是性能依旧优异；目前很多学者都致力于氧化铝气凝胶的制备研究，郭亚琴[22]以AlCl3·6H2O为前驱体，乙醇和去离子水为溶剂，异丙醇为溶剂交换剂，三甲基氯硅烷为表面改性剂，采用溶胶/凝胶法、常压干燥工艺制备了Al2O3气凝胶；黄宝[23]使用AlCl3·6H2O为前驱体，乙醇和去离子水做溶剂，使用PO为凝胶网络诱导剂，常压下通过溶胶/凝胶技术成功制备出具有轻质特点的白色块状氢氧化铝气凝胶,再经过500℃热处理后得到Al2O3气凝胶。但是氧化铝气凝胶存在高温相变的现象，这是因为氧化铝在1000℃以下的晶型为θ、γ、δ晶型，在1000℃以上的晶型为α晶型，前者为尖晶石结构，而后者为密排六方结构，所以在1000℃以上高温时，θ、γ、δ晶型无论哪一个转换为α晶型都会造成氧化铝气凝胶孔结构的坍塌，导致体积收缩比表面积下降，隔热性能下降。图1-4氧化铝高温相变反应[15]二氧化硅气凝胶在微观上主要是以氧化硅凝胶颗粒堆叠形成的三维网络
【参考文献】：
期刊论文
[1]液态铝和三氧化二铝物性参数计算方法综述[J]. 夏盛勇,胡春波. 推进技术. 2019(05)
[2]纳米多孔结构气凝胶传热模型及绝热机理研究[J]. 陈一泊,张光磊,贾伟韬,赵朋媛,秦国强. 石家庄铁道大学学报(自然科学版). 2018(04)
[3]SiO2气凝胶复合材料的研究进展[J]. 翟界秀,杨大令,韩俊南. 建材技术与应用. 2018(05)
[4]Al2O3-SiO2气凝胶隔热材料的研究进展[J]. 邢志祥,汪李金,钱辉,张淑淑,张莹,顾凰琳,张新. 安全与环境工程. 2018(03)
[5]气凝胶隔热复合材料研究进展[J]. 张驰,阚安康,孟闯,郭志鹏,曹丹,徐征. 制冷技术. 2016(04)
[6]泡沫金属材料仿真建模的研究进展（英文）[J]. 邱飒蔚,张新娜,郝青显,窦仁军,鞠燕,胡曰博. 稀有金属材料与工程. 2015(11)
[7]多孔材料气凝胶气固耦合传热研究[J]. 毕成,唐桂华. 工程热物理学报. 2015(06)
[8]红外遮光剂在二氧化硅气凝胶中的应用研究进展[J]. 秦艳青,姜勇刚,冯坚,冯军宗,岳晨午. 材料导报. 2015(11)
[9]气凝胶纳米多孔材料传热计算模型研究进展[J]. 何雅玲,谢涛. 科学通报. 2015(02)
[10]开孔泡沫金属热传导性能的理论研究与数值模拟[J]. 习常清,李志强,敬霖,王志华,赵隆茂. 稀有金属材料与工程. 2014(03)
博士论文
[1]相变微胶囊低温防护复合织物的结构设计及传热模型研究[D]. 孙艳丽.天津工业大学 2019
[2]超轻泡沫金属的简易高效制备及其性能研究[D]. 姜斌.天津大学 2016
[3]纳米多孔SiO2、Al2O3气凝胶及其高效隔热复合材料研究[D]. 高庆福.国防科学技术大学 2009
[4]SiO2和SiO2-Al2O3复合干凝胶超级隔热材料的制备与表征[D]. 何飞.哈尔滨工业大学 2006
硕士论文
[1]氧化铝和氧化锆气凝胶溶胶—凝胶制备技术及性能研究[D]. 巢雄宇.湖南大学 2017
[2]复合氧化铝气凝胶的制备及其性能研究[D]. 贺赫.东南大学 2017
[3]相变材料导热系数强化及相变特性数值模拟研究[D]. 杨彦平.华北电力大学(北京) 2017
[4]Al2O3气凝胶及复合材料的制备与性能研究[D]. 郭亚琴.华南理工大学 2016
[5]Al2O3-SiO2气凝胶及其高温隔热复合材料的制备与性能研究[D]. 刘旭华.华东理工大学 2016
[6]二氧化硅气凝胶纳米孔隙绝热材料气相导热规律研究[D]. 王立新.华北电力大学(北京) 2016
[7]Al2O3-SiO2气凝胶的制备及其性能研究[D]. 张冯.北京化工大学 2014
[8]氧化铝—氧化硅—氧化锆三元复合气凝胶的制备和表征[D]. 李智鹏.北京化工大学 2014
[9]纳米多孔材料传热特性分析研究[D]. 张华.南京理工大学 2014
[10]炭气凝胶充填泡沫碳复合结构的传热模拟与实验研究[D]. 黄鹏.哈尔滨工程大学 2013
本文编号：2984973
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
泡沫金属表征模型
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4低密度、高比表面积、低热导率的性能优点[14]，气凝胶的优越性能使它在光学、电学、热声学、化学等领域备受青睐[15]。图1-2二氧化硅气凝胶结构图（1）气凝胶的发展背景1931年s.s.kistler采用溶胶/凝胶法搭配超临界干燥法首次成功制备出了SiO2、Al2O3和Fe2O3等气凝胶；1966年J.B.Peri利用硅脂通过溶胶/凝胶法也制备了SiO2气凝胶，但是他制备工艺的干燥周期相比之前的学者干燥周期得到很大程度的缩短，进一步的促进了气凝胶的发展；1980开始气凝胶已经得到了应用，Cerenkov便在探测器的部件上应用了氧化硅气凝胶，20世纪80年代末，R.W.Pekala等人采用Resorcin和Formaldeh作为原料，利用溶胶/凝胶法制备了RF有机气凝胶，炭化后得到了碳气凝胶；1985年Tewari将CO2作为超临界干燥介质顺利地进行了湿凝胶的干燥，得以实现在室温下干燥气凝胶，使得实验更加安全及稳定；但是由于凝胶孔径为纳米级别，以致于制备过程漫长复杂，一直以来，在气凝胶易破碎、、老化置换时间长、干燥周期长、工艺复杂等缺点前，越来越多的研究方法得以扩展研究，例如常压干燥、表面改性、增强体掺杂等[14]。随着气凝胶的迅速发展，种类也愈加繁盛，气凝胶从组分上看主要分为三大类：炭气凝胶、有机气凝胶和无机气凝胶，随着研究，也有了无机-有机种类气凝胶；从组成类数上看主要分为两类：单组份气凝胶、多组分气凝胶。大多数氧化类气凝胶例如氧化硅气凝胶、氧化锆气凝胶、氧化铝气凝胶等划为无机气凝胶，也是单组份气凝胶，有机气凝胶常见的主要有间苯二酚-甲醛气凝胶、苯酚-甲醛气凝胶等，而炭气凝胶为有机气凝胶高温炭化的产物，多组分
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文6图1-3气凝胶形成过程[15]1.2.3氧化物气凝胶国内外研究现状目前应用研究最多的氧化物类气凝胶主要有:氧化铝气凝胶、氧化硅气凝胶、氧化锆气凝胶及氧化物复合气凝胶。（1）单组份氧化物气凝胶氧化铝气凝胶的微观形态是由无定形态和多晶形态共同组成，以致于它相比其他种类的气凝胶拥有更好高温稳定性，一般能耐1000℃左右的高温；在微观结构上它主要由针叶状和片状的颗粒组成，导致它与其它微观结构上由颗粒堆叠的气凝胶相比没有很高的比表面积，但是性能依旧优异；目前很多学者都致力于氧化铝气凝胶的制备研究，郭亚琴[22]以AlCl3·6H2O为前驱体，乙醇和去离子水为溶剂，异丙醇为溶剂交换剂，三甲基氯硅烷为表面改性剂，采用溶胶/凝胶法、常压干燥工艺制备了Al2O3气凝胶；黄宝[23]使用AlCl3·6H2O为前驱体，乙醇和去离子水做溶剂，使用PO为凝胶网络诱导剂，常压下通过溶胶/凝胶技术成功制备出具有轻质特点的白色块状氢氧化铝气凝胶,再经过500℃热处理后得到Al2O3气凝胶。但是氧化铝气凝胶存在高温相变的现象，这是因为氧化铝在1000℃以下的晶型为θ、γ、δ晶型，在1000℃以上的晶型为α晶型，前者为尖晶石结构，而后者为密排六方结构，所以在1000℃以上高温时，θ、γ、δ晶型无论哪一个转换为α晶型都会造成氧化铝气凝胶孔结构的坍塌，导致体积收缩比表面积下降，隔热性能下降。图1-4氧化铝高温相变反应[15]二氧化硅气凝胶在微观上主要是以氧化硅凝胶颗粒堆叠形成的三维网络
【参考文献】：
期刊论文
[1]液态铝和三氧化二铝物性参数计算方法综述[J]. 夏盛勇,胡春波. 推进技术. 2019(05)
[2]纳米多孔结构气凝胶传热模型及绝热机理研究[J]. 陈一泊,张光磊,贾伟韬,赵朋媛,秦国强. 石家庄铁道大学学报(自然科学版). 2018(04)
[3]SiO2气凝胶复合材料的研究进展[J]. 翟界秀,杨大令,韩俊南. 建材技术与应用. 2018(05)
[4]Al2O3-SiO2气凝胶隔热材料的研究进展[J]. 邢志祥,汪李金,钱辉,张淑淑,张莹,顾凰琳,张新. 安全与环境工程. 2018(03)
[5]气凝胶隔热复合材料研究进展[J]. 张驰,阚安康,孟闯,郭志鹏,曹丹,徐征. 制冷技术. 2016(04)
[6]泡沫金属材料仿真建模的研究进展（英文）[J]. 邱飒蔚,张新娜,郝青显,窦仁军,鞠燕,胡曰博. 稀有金属材料与工程. 2015(11)
[7]多孔材料气凝胶气固耦合传热研究[J]. 毕成,唐桂华. 工程热物理学报. 2015(06)
[8]红外遮光剂在二氧化硅气凝胶中的应用研究进展[J]. 秦艳青,姜勇刚,冯坚,冯军宗,岳晨午. 材料导报. 2015(11)
[9]气凝胶纳米多孔材料传热计算模型研究进展[J]. 何雅玲,谢涛. 科学通报. 2015(02)
[10]开孔泡沫金属热传导性能的理论研究与数值模拟[J]. 习常清,李志强,敬霖,王志华,赵隆茂. 稀有金属材料与工程. 2014(03)
博士论文
[1]相变微胶囊低温防护复合织物的结构设计及传热模型研究[D]. 孙艳丽.天津工业大学 2019
[2]超轻泡沫金属的简易高效制备及其性能研究[D]. 姜斌.天津大学 2016
[3]纳米多孔SiO2、Al2O3气凝胶及其高效隔热复合材料研究[D]. 高庆福.国防科学技术大学 2009
[4]SiO2和SiO2-Al2O3复合干凝胶超级隔热材料的制备与表征[D]. 何飞.哈尔滨工业大学 2006
硕士论文
[1]氧化铝和氧化锆气凝胶溶胶—凝胶制备技术及性能研究[D]. 巢雄宇.湖南大学 2017
[2]复合氧化铝气凝胶的制备及其性能研究[D]. 贺赫.东南大学 2017
[3]相变材料导热系数强化及相变特性数值模拟研究[D]. 杨彦平.华北电力大学(北京) 2017
[4]Al2O3气凝胶及复合材料的制备与性能研究[D]. 郭亚琴.华南理工大学 2016
[5]Al2O3-SiO2气凝胶及其高温隔热复合材料的制备与性能研究[D]. 刘旭华.华东理工大学 2016
[6]二氧化硅气凝胶纳米孔隙绝热材料气相导热规律研究[D]. 王立新.华北电力大学(北京) 2016
[7]Al2O3-SiO2气凝胶的制备及其性能研究[D]. 张冯.北京化工大学 2014
[8]氧化铝—氧化硅—氧化锆三元复合气凝胶的制备和表征[D]. 李智鹏.北京化工大学 2014
[9]纳米多孔材料传热特性分析研究[D]. 张华.南京理工大学 2014
[10]炭气凝胶充填泡沫碳复合结构的传热模拟与实验研究[D]. 黄鹏.哈尔滨工程大学 2013
本文编号：2984973
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