SiO2納米孔絕熱材料的基礎研究及其制備和應用.pdf

1、SiO2納米孔絕熱材料具備極佳的絕熱性能，是目前高性能絕熱材料領域的研究熱點之一，其主要包括SiO2氣凝膠基絕熱材料和SiO2納米粉末基絕熱材料。
　　針對前者的研究，本文首先采用溶膠-凝膠法結合共沸蒸餾干燥工藝制備了SiO2干凝膠，研究了共沸蒸餾工藝對凝膠多孔網(wǎng)絡結構形成的影響，分析了其在煅燒過程中物相和微觀孔結構的變化，探討了SiO2干凝膠取代氣凝膠制備絕熱材料的可行性，為SiO2氣凝膠基絕熱材料的常壓干燥制備奠定了一定的基礎

2、。
　　針對后者的研究，本文通過對比微硅粉、沉淀SiO2和氣相SiO2三種粉體的熱性能及其在煅燒過程中化學鍵和晶相的變化，考察三種粉末基絕熱材料的絕熱性能以及三種粉末壓實體的孔結構參數(shù)和微觀組織結構，明確了氣相SiO2為制備SiO2納米粉末基絕熱材料的最佳基體材料。隨后，本文重點對氣相SiO2基納米孔絕熱材料進行了相關研究，考察了氣相SiO2納米粉末壓實體在壓縮過程、熱處理過程以及摻雜過程中微觀結構尤其是孔結構的演變行為，研究了增

3、強纖維、紅外遮光劑、抑燒劑對其絕熱性能、機械性能和熱穩(wěn)定性能的影響，探討了其作用機理。最后，以所制備的氣相SiO2基納米孔絕熱材料作為絕熱層，應用有限元分析方法，通過對中間包溫度場的模擬研究，分析了該絕熱層對中間包鋼液溫度及包襯傳熱的影響。
　　通過以上各方面的研究，獲得的主要研究結果如下：
　　(1)通過溶膠-凝膠法結合共沸蒸餾干燥工藝制備了SiO2干凝膠，其顆粒表面羥基已被正丁醇的丁氧基取代生成了Si-OC4H9，完成了

4、顆粒表面疏水改性和凝膠中溶劑替換過程。隨著煅燒溫度的升高，制備的SiO2干凝膠直至1000℃仍保持非晶態(tài)狀態(tài)，但其顆粒間的粘性燒結將導致比表面積和孔體積急劇降低。經(jīng)過300℃煅燒后，SiO2干凝膠的比表面積為924.62m2·g-1，孔體積為0.754cm3·g-1，平均孔徑約為4nm，孔徑主要分布在10nm以下并少量分布在100～160nm之間，孔隙中微孔和大孔數(shù)量偏多，介孔數(shù)量偏少，孔均勻程度較差，其在取代氣凝膠作為基體材料方面還存

5、在一定的差距。
　　(2)相比于微硅粉和沉淀SiO2粉體，氣相SiO2粉體具有更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，當加熱至1000℃時，其仍呈非結晶狀態(tài)，且不會產(chǎn)生由于晶型轉變引起的體積變化。同時，由于其壓實體具備更明顯的納米孔吸附特性及豐富的納米孔顯微結構，以其為基體材料所制備的絕熱材料的導熱系數(shù)明顯低于前兩者。因此，氣相SiO2粉體為制備SiO2納米粉末基絕熱材料的最佳硅源粉體。
　　(3)氣相SiO2壓實體在壓縮過程中，其內部聚集體間的

6、形貌并沒有發(fā)生明顯變化，其氮氣吸附-脫附等溫線在相對壓力較低范圍內尤其是小于0.16以下均幾乎沒有變化。隨著成型壓力的提高，氮氣吸附-脫附等溫線在高相對壓力處的滯后回環(huán)明顯增強，氮氣吸附有效孔隙率顯著增大。在壓縮過程中，壓實體的比表面積基本保持穩(wěn)定，而氮氣吸附總孔體積先穩(wěn)定升高再降低最后與壓實體內部空體積相等，當成型壓力達到80MPa時，試樣出現(xiàn)氮氣吸附飽和現(xiàn)象。
　　(4)氣相SiO2壓實體在熱處理過程中，熱驅動力直接作用在相鄰

7、的原始顆粒表面產(chǎn)生傳質現(xiàn)象，導致壓實體比表面積及氮氣吸附總孔體積顯著下降。隨著熱處理程度的加劇，壓實體內部將會發(fā)生過渡性的孔隙重排現(xiàn)象，孔隙向小尺寸方向發(fā)展且分布逐漸變窄，單個聚集體內部原始顆粒粘結長大，相鄰的聚集體燒結融合形成了新的較大的聚集體。
　　(5)摻雜微米級的紅外遮光劑和增強纖維都將破壞基體材料中局部的納米孔結構，導致?lián)诫s后的氣相SiO2納米粉末壓實體在相對壓力范圍內的吸附氮氣能力有所下降，但后者的摻雜會使氣相SiO2

8、吸附在其表面形成層結構，能夠引起高相對壓力處氮氣吸附能力的增強。添加氣相Al2O3抑燒劑則會增加基體材料吸附氮氣的有效孔隙率，使摻雜試樣在高相對壓力處呈現(xiàn)強烈的毛細凝聚現(xiàn)象。
　　(6)當成型壓力為2MPa時，可以獲得導熱系數(shù)較低且抗折強度較高的氣相SiO2基納米孔絕熱材料。當添加質量分數(shù)20％的中位粒徑為3.029μm的W3.5型SiC作為紅外遮光劑時，試樣在熱面溫度1000℃時的導熱系數(shù)僅為0.023W/(m·K)。通過機械融

9、合方式混料，氣相SiO2納米顆?？梢耘c單根纖維吸附結合形成最大厚度約為4μm的納米顆粒改性包覆層，相比于采用普通混料方式制備的絕熱材料，這種結構可使材料的導熱系數(shù)降低幅度達50％。添加質量分數(shù)10％的氣相Al2O3即可顯著提高材料在高溫下的體積穩(wěn)定性，在900℃和1000℃時的體積收縮率分別僅為0.3％和1.1％。
　　(7)以所制備的氣相SiO2基納米孔絕熱材料為絕熱層可有效提高中間包的保溫效果，經(jīng)過3600s后，與無絕熱層的中