氣凝膠高效隔熱材料（簡體書）

新型航天飛行器和導彈的研制和發展，對國家的國防安全具有重要的戰略意義。與傳統的飛行器和導彈相比，臨近空間新型高速飛行器和導彈的飛行速度更高，飛行時間更長，飛行器和彈體表面的氣動加熱溫度更高，加熱時間更長，累計氣動加熱量更加嚴酷，承受的熱環境更為惡劣。長時高效熱防護已成為新型航天飛行器和導彈研制和發展中無法避免而又必須妥善解決的一個重大關鍵技術難題。因此，迫切需要研制和發展耐高溫、輕質、力學性能良好的高效隔熱材料和結構以支撐新型航天飛行器和導彈長時高效熱防護系統技術的突破。另外，戰斗機、裝甲車輛、艦艇、魚雷等武器裝備也對高性能隔熱材料提出了迫切需求。
在民用方面，隨著科學技術和社會經濟飛速發展，全球能源的日益緊缺已成為世界性問題，開發新能源、提高現有能源利用率以及節約能源已引起了各國的高度重視。其中，采用新技術、新工藝開發環境友好型的高效隔熱材料是節約能源最有效、最經濟的措施之一。
傳統的陶瓷纖維隔熱氈、陶瓷纖維隔熱瓦等材料高溫熱導率較高[如美國NASA研制的AETB-12陶瓷纖維隔熱瓦為800℃，熱導率為0.128W/（m·K）]，已難以滿足軍用和民用領域更加苛刻的高性能要求。開展耐高溫、輕質及力學性能良好的高效隔熱材料和結構技術研究具有重要的現實意義。
自1931年美國太平洋學院（CollegeofthePacific）的Kistler教授首次提出氣凝膠概念以來，Si02氣凝膠由於其獨特的納米骨架顆粒和納米孔徑結構，已成為當前室溫熱導率最低的固體材料，但其強度低，對高溫紅外輻射傳熱透明，高溫熱導率較高。因此，研制兼具高強韌和高溫低熱導率特點的高性能氣凝膠復合材料是國內外廣大學者一直致力解決的技術難題。
國防科學技術大學自2001年開始從事氣凝膠隔熱材料研究，在國家自然科學基金、武器裝備預研基金和軍品配套科研項目等的長期支持下，開展的氣凝膠高效隔熱復合材料研究，已從實驗室基礎研究和工藝探索階段進入到工程化應用階段。研制的Si02和Al203等氣凝膠復合材料具有高強韌、可設計性強、高效隔熱等特性，相關材料和構件已廣泛應用於我國新型航天飛行器和導彈熱防護系統中，為我國國防現代化建設做出了重要貢獻。
本書總結了作者十多年來在氣凝膠隔熱材料領域的研究成果，系統地介紹了纖維增強SiO2、Al2O3-SiO2、SiCO、炭氣凝膠隔熱復合材料及聚酰亞胺氣凝膠隔熱材料的制備工藝，結構和性能，構件成型、加工及應用等。

第1章 氣凝膠簡介
1．1 氣凝膠的發展歷程
1．2 氣凝膠及其復合材料的制備方法
1．2．1 氣凝膠的制備方法
1．2．2 氣凝膠復合材料的制備方法
1．3 氣凝膠的基本性質及應用
1．3．1 氣凝膠的基本性質
1．3．2 氣凝膠的應用
1．4 氣凝膠隔熱材料的發展趨勢
1．4．1 進一步提高氣凝膠隔熱材料的耐高溫性能
1．4．2 進一步提高氣凝膠隔熱材料的隔熱效果
1．4．3 極端環境下氣凝膠隔熱材料的性能與評估研究
1．4．4 氣凝膠隔熱材料的低成本制備技術研究
1．4．5 特種功能氣凝膠隔熱材料的研究
參考文獻

第2章 纖維增強Si02氣凝膠高效隔熱復合材料
2．1 Si02氣凝膠
2．1．1 Si02溶膠一凝膠的反應過程
2．1．2 Si02氣凝膠的制備工藝
2．1．3 Si02氣凝膠的性質和微觀結構控制
2．1．4 Si02氣凝膠的耐溫性
2．2 Si02氣凝膠高效隔熱復合材料
2．2．1 Si02氣凝膠高效隔熱復合材料的制備工藝
2．2．2 Si02氣凝膠高效隔熱復合材料的隔熱性能
2．2．3 Si02氣凝膠高效隔熱復合材料的力學性能
2．2．4 Si02氣凝膠高效隔熱復合材料的耐溫性能
2．3 Si02氣凝膠高效隔熱復合材料的疏水改性
2．3．1 疏水改性的反應過程分析
2．3．2 疏水處理的反應增重率
2．3．3 疏水處理對Si02氣凝膠結構的影響
2．3．4 Si02氣凝膠及其復合材料的疏水性表征
參考文獻

第3章 纖維增強Al203-Si02氣凝膠高效隔熱復合材料
3．1 A1203-Si02氣凝膠
3．1．1 A1203-Si02溶膠-凝膠的反應過程
3．1．2 A1203-Si02氣凝膠的制備工藝
3．1．3 A1203-Si02氣凝膠的耐溫性
3．2 A1203-Si02氣凝膠高效隔熱復合材料
3．2．1 A1203-Si02氣凝膠高效隔熱復合材料的制備工藝
3．2．2 A1203-Si02氣凝膠復合材料的隔熱性能
3．2．3 A1203-Si02氣凝膠高效隔熱復合材料的力學性能
3．2．4 A1203-Si02氣凝膠高效隔熱復合材料的耐溫性能
參考文獻

第4章 纖維增強SiCO氣凝膠隔熱復合材料
4．1 SiCO氣凝膠簡介
4．1．1 SiCO氣凝膠的結構
4．1．2 SiCO氣凝膠的性質
4．2 SiCO氣凝膠的制備、結構和性能
4．2．1 SiCO先驅體溶膠-凝膠的反應過程
4．2．2 SiCO氣凝膠的制備工藝
4．2．3 SiCO氣凝膠的結構和性能分析
4．3 SiCO氣凝膠隔熱復合材料
4．3．1 SiCO氣凝膠隔熱復合材料的制備工藝
4．3．2 SiCO氣凝膠隔熱復合材料的隔熱性能
4．3．3 SiCO氣凝膠隔熱復合材料的力學性能
4．3．4 SiCO氣凝膠隔熱復合材料的耐溫性能
參考文獻

第5章 纖維增強炭氣凝膠隔熱復合材料
5．1 炭氣凝膠
5．1．1 炭氣凝膠的制備機理
5．1．2 炭氣凝膠的制備工藝過程
5．1．3 炭氣凝膠的微觀結構控制
5．2 炭氣凝膠隔熱復合材料
5．2．1 炭氣凝膠隔熱復合材料的制備工藝
5．2．2 炭氣凝膠隔熱復合材料的隔熱性能
5．2．3 炭氣凝膠隔熱復合材料的力學性能
5．2．4 炭氣凝膠隔熱復合材料的耐高溫性能
參考文獻

第6章 聚酰亞胺氣凝膠隔熱材料
6．1 聚酰亞胺氣凝膠簡介
6．1．1 線型結構聚酰亞胺氣凝膠
6．1．2 交聯型聚酰亞胺氣凝膠
6．1．3 聚酰亞胺增強Si02氣凝膠材料
6．1．4 聚酰亞胺增強黏土氣凝膠材料
6．2 聚酰亞胺氣凝膠的制備工藝
6．2．1 聚酰亞胺的合成方法
6．2．2 聚酰亞胺氣凝膠的合成工藝
6．3 聚酰亞胺氣凝膠的微觀結構
6．3．1 聚酰亞胺氣凝膠的微觀形貌
6．3．2 聚酰亞胺氣凝膠的孔結構
6．4 聚酰亞胺氣凝膠的隔熱性能
6．4．1 溫度對聚酰亞胺氣凝膠熱導率的影響
6．4．2 環境氣氛對聚酰亞胺氣凝膠熱導率的影響
6．4．3 氣壓對聚酰亞胺氣凝膠熱導率的影響
6．5 聚酰亞胺氣凝膠的力學性能
6．5．1 聚酰亞胺氣凝膠的拉伸性能
6．5．2 聚酰亞胺氣凝膠的彎曲性能
6．5．3 聚酰亞胺氣凝膠的壓縮性能
6．6 聚酰亞胺氣凝膠的耐溫性能
參考文獻

第7章氣凝膠隔熱復合材料的應用研究
7．1 氣凝膠高效隔熱復合材料的構件成型
7．2 氣凝膠高效隔熱復合材料的構件加工
7．2．1 切割
7．2．2 孔加工
7．2．3 數控加工
7．3 氣凝膠高效隔熱材料的應用
7．3．1 在航天飛行器熱防護系統上的應用
7．3．2 在導彈熱防護系統上的應用
7．3．3 在衝壓發動機熱防護系統上的應用
7．3．4 在軍用熱電池隔熱套上的應用
參考文獻
附錄

4.高溫裂解
高溫裂解是以有機物為原料制備無機氣凝膠的關鍵工藝，其過程是利用反應物在高溫條件下受熱發生斷鍵.重排而生成新結構，一般可分為3個階段，第1階段為未交聯有機小分子的逸出，這一階段發生在低溫區（400℃以下）；第2階段為有機物無機化，得到無定形態結構的產物，這個過程一般發生在1000℃左右，但不同的前驅體轉化溫度是不一致的；第3個階段為無定形態結構的產物結晶化（>1200℃），一般高溫裂解過程在真空或者惰性氣氛下進行，常用的惰性氣體有氬氣和氮氣，C、SiCO等氣凝膠的制備通常需要通過高溫裂解過程。
1.2.2氣凝膠復合材料的制備方法
氣凝膠復合材料一般是指以陶瓷纖維、晶須、晶片或顆粒為增強體，氣凝膠為基體，通過適當復合工藝制備性能可設計的一類新型復合材料。氣凝膠復合材料通常針對隔熱保溫領域進行應用，具有較好的力學性能、超低熱導率等特點。目前制備氣凝膠復合材料主要有凝膠整體成型和顆粒混合成型等方法。
1.凝膠整體成型
將配制的溶膠直接與增強體或紅外遮光劑等混合，待混合體凝膠後經超臨界幹燥或常壓幹燥得到氣凝膠復合材料，氣凝膠在復合材料中呈連續的整體塊狀結構。根據添加劑的形狀不同.具體的工藝過程也有所不同，主要的添加劑有顆粒、短纖維以及長纖維等。
1）顆粒、短纖維增強氣凝膠復合材料
顆粒（或短纖維）增強氣凝膠復合材料的具體工藝如下：制備溶膠過程中，添加適量的顆粒（或短纖維），加入少量表面活性劑作為分散劑進行攪拌，使顆粒（或短纖維）均勻分散在溶膠體系中，待溶膠快凝膠時將其倒入模具中，經快速凝膠、老化及幹燥過程得到顆粒（或短纖維）增強氣凝膠復合材料。
顆粒（或短纖維）增強氣凝膠復合材料的制備關鍵是如何使顆粒（或短纖維）均勻分散在氣凝膠基體中，相互搭結並與周圍的氣凝膠基體牢固黏結。由於顆粒或短纖維與氣凝膠的物理性質（如表面張力、可潤濕性、密度等）存在差異，使得顆粒或短纖維難以均勻分散和牢固黏結。帶靜電表面的相互吸引也會使顆粒或短纖維聚集成球或形成平行的束狀結構，在最終的產品中形成不均勻的團塊，導致復合材料性能下降。常用的解決方法是加入分散劑，通過強力攪拌或超聲振蕩等方式使顆粒或短纖維等均勻地分散在溶膠中，同時為防止顆粒或短纖維因密度差而沉澱，控制凝膠時間以及摻入顆粒或短纖維的時間，使加入顆粒或短纖維後的溶膠在適當時間內凝膠。
2）長纖維增強氣凝膠復合材料
長纖維增強氣凝膠復合材料的工藝主要過程是，首先將纖維經加工處理形成纖維預成型體，將制備好的溶膠浸漬纖維預成型體，再經凝膠、老化和幹燥得到氣凝膠復合材料。
長纖維在材料中作為力學支撐，提高復合材料的力學性能。根據實際應用條件的不同，長纖維具有較強的選擇性，高溫應用條件下可選擇無機纖維如玻璃纖維、礦物纖維等，低溫應用條件下可以選擇有機纖維如聚氨酯纖維、尼龍纖維或天然植物纖維等。
消除纖維與纖維之間的接觸是長纖維復合氣凝膠隔熱材料制備的關鍵。纖維與纖維之間接觸一方面會降低氣凝膠在材料中的分散性，影響氣凝膠與纖維之間的結合，降低材料的力學性能；另一方面，纖維與纖維之間的接觸會產生熱橋效應，增加材料的固相傳導。通過以下措施可改善纖維與氣凝膠之間的結合：①選擇與氣凝膠基體相容性好的纖維；②提高纖維的浸潤性；③通過對纖維表面預處理，提高其與氣凝膠基體的結合強度；④精確控制溶膠.凝膠、浸漬、超臨界幹燥等制備工藝參數。
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