定 價:80 元
叢書名:先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷纖維與復(fù)合材料叢書
- 作者:馮堅等著
- 出版時間:2016/1/1
- ISBN:9787030503039
- 出 版 社:科學(xué)出版社
- 中圖法分類:TB34
- 頁碼:206
- 紙張:膠版紙
- 版次:1
- 開本:16K
隔熱材料是對熱流具有顯著阻抗性的材料或材料復(fù)合體。高性能隔熱材料的研制和開發(fā)是解決能源緊缺的有效措施之一,更是解決新型航天飛行器和導(dǎo)彈高效熱防護難題的關(guān)鍵,無論對于民用還是軍用都具有重要的現(xiàn)實意義。
氣凝膠高效隔熱材料是目前高性能隔熱材料研究的主要方向,《先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷纖維與復(fù)合材料叢書:氣凝膠高效隔熱材料》深入總結(jié)了作者十多年來在氣凝膠高效隔熱材料領(lǐng)域的研究成果,系統(tǒng)介紹了纖維增強Si02、Al203-Si02.SiCO、炭氣凝膠隔熱復(fù)合材料及聚酰亞胺氣凝膠隔熱材料的制備工藝,結(jié)構(gòu)和性能表征,構(gòu)件成型,加工及應(yīng)用等。
《先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷纖維與復(fù)合材料叢書:氣凝膠高效隔熱材料》可為從事氣凝膠隔熱保溫相關(guān)領(lǐng)域的高校師生,氣凝膠保溫材料研究、開發(fā)和生產(chǎn)相關(guān)人員,以及從事航天飛行器熱防護系統(tǒng)、武器裝備和民用隔熱保溫領(lǐng)域設(shè)計應(yīng)用的相關(guān)人員提供可靠的參考資料。
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新型航天飛行器和導(dǎo)彈的研制和發(fā)展,對國家的國防安全具有重要的戰(zhàn)略意義。與傳統(tǒng)的飛行器和導(dǎo)彈相比,臨近空間新型高速飛行器和導(dǎo)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(yán)酷,承受的熱環(huán)境更為惡劣。長時高效熱防護已成為新型航天飛行器和導(dǎo)彈研制和發(fā)展中無法避免而又必須妥善解決的一個重大關(guān)鍵技術(shù)難題。因此,迫切需要研制和發(fā)展耐高溫、輕質(zhì)、力學(xué)性能良好的高效隔熱材料和結(jié)構(gòu)以支撐新型航天飛行器和導(dǎo)彈長時高效熱防護系統(tǒng)技術(shù)的突破。另外,戰(zhàn)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(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟飛速發(fā)展,全球能源的日益緊缺已成為世界性問題,開發(fā)新能源、提高現(xiàn)有能源利用率以及節(jié)約能源已引起了各國的高度重視。其中,采用新技術(shù)、新工藝開發(fā)環(huán)境友好型的高效隔熱材料是節(jié)約能源最有效、最經(jīng)濟的措施之一。
傳統(tǒng)的陶瓷纖維隔熱氈、陶瓷纖維隔熱瓦等材料高溫?zé)釋?dǎo)率較高[如美國NASA研制的AETB-12陶瓷纖維隔熱瓦為800℃,熱導(dǎo)率為0.128W/(m·K)],已難以滿足軍用和民用領(lǐng)域更加苛刻的高性能要求。開展耐高溫、輕質(zhì)及力學(xué)性能良好的高效隔熱材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實意義。
自1931年美國太平洋學(xué)院(CollegeofthePacific)的Kistler教授首次提出氣凝膠概念以來,Si02氣凝膠由于其獨特的納米骨架顆粒和納米孔徑結(jié)構(gòu),已成為當(dāng)前室溫?zé)釋?dǎo)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?zé)釋?dǎo)率較高。因此,研制兼具高強韌和高溫低熱導(dǎo)率特點的高性能氣凝膠復(fù)合材料是國內(nèi)外廣大學(xué)者一直致力解決的技術(shù)難題。
國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)自2001年開始從事氣凝膠隔熱材料研究,在國家自然科學(xué)基金、武器裝備預(yù)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(fù)合材料研究,已從實驗室基礎(chǔ)研究和工藝探索階段進入到工程化應(yīng)用階段。研制的Si02和Al203等氣凝膠復(fù)合材料具有高強韌、可設(shè)計性強、高效隔熱等特性,相關(guān)材料和構(gòu)件已廣泛應(yīng)用于我國新型航天飛行器和導(dǎo)彈熱防護系統(tǒng)中,為我國國防現(xiàn)代化建設(shè)做出了重要貢獻。
本書總結(jié)了作者十多年來在氣凝膠隔熱材料領(lǐng)域的研究成果,系統(tǒng)地介紹了纖維增強SiO2、Al2O3-SiO2、SiCO、炭氣凝膠隔熱復(fù)合材料及聚酰亞胺氣凝膠隔熱材料的制備工藝,結(jié)構(gòu)和性能,構(gòu)件成型、加工及應(yīng)用等。
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目 錄
第 1 章 氣凝膠簡介 1
1.1 氣凝膠的發(fā)展歷程 1
1.2 氣凝膠及其復(fù)合材料的制備方法 2
1.2.1 氣凝膠的制備方法 2
1.2.2 氣凝膠復(fù)合材料的制備方法 8
1.3 氣凝膠的基本性質(zhì)及應(yīng)用 10
1.3.1 氣凝膠的基本性質(zhì) 10
1.3.2 氣凝膠的應(yīng)用 13
1.4 氣凝膠隔熱材料的發(fā)展趨勢 15
1.4.1 進一步提高氣凝膠隔熱材料的耐高溫性能 15
1.4.2 進一步提高氣凝膠隔熱材料的隔熱效果 16
1.4.3 極端環(huán)境下氣凝膠隔熱材料的性能與評估研究 17
1.4.4 氣凝膠隔熱材料的低成本制備技術(shù)研究 17
1.4.5 特種功能氣凝膠隔熱材料的研究 18
參考文獻 18
第 2 章 纖維增強 Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料 24
2.1 Si O2氣凝膠 25
2.1.1 Si O2溶膠-凝膠的反應(yīng)過程 25
2.1.2 Si O2氣凝膠的制備工藝 26
2.1.3 Si O2氣凝膠的性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)控制 33
2.1.4 Si O2氣凝膠的耐溫性 37
2.2 Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料 41
2.2.1 Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的制備工藝 42
2.2.2 Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的隔熱性能 43
2.2.3 Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的力學(xué)性能 58
2.2.4 Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的耐溫性能 64
2.3 Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的疏水改性 71
2.3.1 疏水改性的反應(yīng)過程分析 72
2.3.2 疏水處理的反應(yīng)增重率 73
2.3.3 疏水處理對 Si O2氣凝膠結(jié)構(gòu)的影響 76
2.3.4 Si O2氣凝膠及其復(fù)合材料的疏水性表征 80
參考文獻 82
第 3 章 纖維增強 Al2O3-Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料 86
3.1 Al2O3-Si O2氣凝膠 86
3.1.1 Al2O3-Si O2溶膠-凝膠的反應(yīng)過程 86
3.1.2 Al2O3-Si O2氣凝膠的制備工藝 90
3.1.3 Al2O3-Si O2氣凝膠的耐溫性 98
3.2 Al2O3-Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料 102
3.2.1 Al2O3-Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的制備工藝 102
3.2.2 Al2O3-Si O2氣凝膠復(fù)合材料的隔熱性能 103
3.2.3 Al2O3-Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的力學(xué)性能 105
3.2.4 Al2O3-Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的耐溫性能 108
參考文獻 113
第 4 章 纖維增強 Si CO 氣凝膠隔熱復(fù)合材料 115
4.1 Si CO 氣凝膠簡介 115
4.1.1 Si CO 氣凝膠的結(jié)構(gòu) 115
4.1.2 Si CO 氣凝膠的性質(zhì) 118
4.2 Si CO 氣凝膠的制備、結(jié)構(gòu)和性能 119
4.2.1 Si CO 先驅(qū)體溶膠-凝膠的反應(yīng)過程 119
4.2.2 Si CO 氣凝膠的制備工藝 121
4.2.3 Si CO 氣凝膠的結(jié)構(gòu)和性能分析 131
4.3 Si CO 氣凝膠隔熱復(fù)合材料 138
4.3.1 Si CO 氣凝膠隔熱復(fù)合材料的制備工藝 138
4.3.2 Si CO 氣凝膠隔熱復(fù)合材料的隔熱性能 138
4.3.3 Si CO 氣凝膠隔熱復(fù)合材料的力學(xué)性能 140
4.3.4 Si CO 氣凝膠隔熱復(fù)合材料的耐溫性能 141
參考文獻 142
第 5 章 纖維增強炭氣凝膠隔熱復(fù)合材料 144
5.1 炭氣凝膠 144
5.1.1 炭氣凝膠的制備機理 144
5.1.2 炭氣凝膠的制備工藝過程 146
5.1.3 炭氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)控制 148
5.2 炭氣凝膠隔熱復(fù)合材料 155
5.2.1 炭氣凝膠隔熱復(fù)合材料的制備工藝 156
5.2.2 炭氣凝膠隔熱復(fù)合材料的隔熱性能 157
5.2.3 炭氣凝膠隔熱復(fù)合材料的力學(xué)性能 162
5.2.4 炭氣凝膠隔熱復(fù)合材料的耐高溫性能 169
參考文獻 170
第 6 章 聚酰亞胺氣凝膠隔熱材料 173
6.1 聚酰亞胺氣凝膠簡介 174
6.1.1 線型結(jié)構(gòu)聚酰亞胺氣凝膠 174
6.1.2 交聯(lián)型聚酰亞胺氣凝膠 175
6.1.3 聚酰亞胺增強 Si O2氣凝膠材料 179
6.1.4 聚酰亞胺增強黏土氣凝膠材料 179
6.2 聚酰亞胺氣凝膠的制備工藝 179
6.2.1 聚酰亞胺的合成方法 179
6.2.2 聚酰亞胺氣凝膠的合成工藝 181
6.3 聚酰亞胺氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu) 183
6.3.1 聚酰亞胺氣凝膠的微觀形貌 183
6.3.2 聚酰亞胺氣凝膠的孔結(jié)構(gòu) 183
6.4 聚酰亞胺氣凝膠的隔熱性能 185
6.4.1 溫度對聚酰亞胺氣凝膠熱導(dǎo)率的影響 186
6.4.2 環(huán)境氣氛對聚酰亞胺氣凝膠熱導(dǎo)率的影響 186
6.4.3 氣壓對聚酰亞胺氣凝膠熱導(dǎo)率的影響 187
6.5 聚酰亞胺氣凝膠的力學(xué)性能 188
6.5.1 聚酰亞胺氣凝膠的拉伸性能 188
6.5.2 聚酰亞胺氣凝膠的彎曲性能 188
6.5.3 聚酰亞胺氣凝膠的壓縮性能 190
6.6 聚酰亞胺氣凝膠的耐溫性能 190
參考文獻 192
第 7 章 氣凝膠隔熱復(fù)合材料的應(yīng)用研究 194
7.1 氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的構(gòu)件成型 195
7.2 氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的構(gòu)件加工 196
7.2.1 切割 196
7.2.2 孔加工 197
7.2.3 數(shù)控加工 198
7.3 氣凝膠高效隔熱材料的應(yīng)用 200
7.3.1 在航天飛行器熱防護系統(tǒng)上的應(yīng)用 200
7.3.2 在導(dǎo)彈熱防護系統(tǒng)上的應(yīng)用 201
7.3.3 在沖壓發(fā)動機熱防護系統(tǒng)上的應(yīng)用 202
7.3.4 在軍用熱電池隔熱套上的應(yīng)用 202
參考文獻 203
附錄 205
《先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷纖維與復(fù)合材料叢書:氣凝膠高效隔熱材料》:
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(guān)鍵工藝,其過程是利用反應(yīng)物在高溫條件下受熱發(fā)生斷鍵.重排而生成新結(jié)構(gòu),一般可分為3個階段,第1階段為未交聯(lián)有機小分子的逸出,這一階段發(fā)生在低溫區(qū)(400℃以下);第2階段為有機物無機化,得到無定形態(tài)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物,這個過程一般發(fā)生在1000℃左右,但不同的前驅(qū)體轉(zhuǎn)化溫度是不一致的;第3個階段為無定形態(tài)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物結(jié)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(fù)合材料的制備方法
氣凝膠復(fù)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(dāng)復(fù)合工藝制備性能可設(shè)計的一類新型復(fù)合材料。氣凝膠復(fù)合材料通常針對隔熱保溫領(lǐng)域進行應(yīng)用,具有較好的力學(xué)性能、超低熱導(dǎo)率等特點。目前制備氣凝膠復(fù)合材料主要有凝膠整體成型和顆;旌铣尚偷确椒。
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,待混合體凝膠后經(jīng)超臨界干燥或常壓干燥得到氣凝膠復(fù)合材料,氣凝膠在復(fù)合材料中呈連續(xù)的整體塊狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)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(fù)合材料
顆粒(或短纖維)增強氣凝膠復(fù)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(jīng)快速凝膠、老化及干燥過程得到顆粒(或短纖維)增強氣凝膠復(fù)合材料。
顆粒(或短纖維)增強氣凝膠復(fù)合材料的制備關(guān)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(jié)并與周圍的氣凝膠基體牢固黏結(jié)。由于顆;蚨汤w維與氣凝膠的物理性質(zhì)(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(jié)。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(jié)構(gòu),在最終的產(chǎn)品中形成不均勻的團塊,導(dǎo)致復(fù)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;蚨汤w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淀,控制凝膠時間以及摻入顆;蚨汤w維的時間,使加入顆;蚨汤w維后的溶膠在適當(dāng)時間內(nèi)凝膠。
2)長纖維增強氣凝膠復(fù)合材料
長纖維增強氣凝膠復(fù)合材料的工藝主要過程是,首先將纖維經(jīng)加工處理形成纖維預(yù)成型體,將制備好的溶膠浸漬纖維預(yù)成型體,再經(jīng)凝膠、老化和干燥得到氣凝膠復(fù)合材料。
長纖維在材料中作為力學(xué)支撐,提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。根據(jù)實際應(yīng)用條件的不同,長纖維具有較強的選擇性,高溫應(yīng)用條件下可選擇無機纖維如玻璃纖維、礦物纖維等,低溫應(yīng)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(fù)合氣凝膠隔熱材料制備的關(guān)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(jié)合,降低材料的力學(xué)性能;另一方面,纖維與纖維之間的接觸會產(chǎn)生熱橋效應(yīng),增加材料的固相傳導(dǎo)。通過以下措施可改善纖維與氣凝膠之間的結(jié)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(yù)處理,提高其與氣凝膠基體的結(jié)合強度;④精確控制溶膠.凝膠、浸漬、超臨界干燥等制備工藝參數(shù)。
……
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