低密度SiO2及其復(fù)合氣凝膠的制備與特性研究.pdf

1、二氧化硅(SiO2)及其復(fù)合氣凝膠以其高孔隙率、高比表面積和低密度等特性廣泛應(yīng)用于慣性約束聚變(ICF)研究中。ICF靶要求氣凝膠材料具有好的加工成型性能、高的環(huán)境穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)與密度均勻等特性。但是低密度氣凝膠目前在制備過程中，普遍存在著溶膠-凝膠過程難于控制、材料強度低、易塌陷、難于成型以及微觀結(jié)構(gòu)不均勻等技術(shù)難題。
　　本論文在較為系統(tǒng)地研究溶膠-凝膠動力學(xué)過程和低密度SiO2及其復(fù)合氣凝膠的制備工藝的基礎(chǔ)上，成功制備出密度1

2、.8mg/cm3～200mg/cm3的SiO2氣凝膠及其復(fù)合氣凝膠塊體材料，并已在ICF實驗研究中得到成功地應(yīng)用。
　　通過對TEOS-乙醇體系凝膠化過程的動力學(xué)特性分析發(fā)現(xiàn)，凝膠化過程主要受反應(yīng)物濃度即氣凝膠目標(biāo)密度的控制，隨著反應(yīng)物濃度的降低，體系的凝膠化時間呈指數(shù)增加，當(dāng)氣凝膠目標(biāo)密度低于10mg/cm3時，體系無法凝膠。在以正硅酸乙酯(TEOS)為硅前驅(qū)體的乙醇-水為溶劑體系時，無法獲得密度低于3 mg/cm3的SiO2氣

3、凝膠材料。通過合成新型硅前驅(qū)體，并優(yōu)化溶劑體系，即以多聚籠形烷氧基硅氧烷與八甲氧基六面體倍半硅氧烷(OMOPOSS)為前驅(qū)體，以N'N-二甲基甲酰胺(DMF)、乙腈和二甲基亞砜(DMSO)為溶劑體系，成功地制備出密度低于3mg/cm3的SiO2氣凝膠材料。吸附特性及微觀結(jié)構(gòu)分析表明，不同前驅(qū)體制備的氣凝膠具有類似的規(guī)律，即隨著密度的降低，樣品的比表面積呈現(xiàn)先增加后下降然后趨于穩(wěn)定的趨勢。氣凝膠的孔徑大部分小于50nm，主要分布在10～2

4、0nm間，具有典型的中孔特征。
　　為提高氣凝膠的生產(chǎn)效率和成品率，經(jīng)一系列探索，開發(fā)出了一套低密度氣凝膠快速制備工藝，使制備SiO2氣凝膠的時間周期縮短至傳統(tǒng)工藝的1/10。
　　在低密度SiO2氣凝膠加工成型性能研究方面，著重探討了后處理法、原位共凝膠法等工藝參數(shù)對成品氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)、形貌及性能等的影響。采用凝膠后處理法和原位共凝膠法實現(xiàn)了氣凝膠的表面疏水改性和機械力學(xué)性能改性。在后處理工藝中采用六甲基二硅胺烷為疏水改性

5、試劑，對凝膠進行了表面處理，使產(chǎn)品氣凝膠的抗潮解性能大為提高;而在原位共凝膠改性中，以甲基三乙氧基硅烷和TEOS作為混合前驅(qū)體，經(jīng)一系列實驗，成功制備出具有較高機械力學(xué)性能和環(huán)境穩(wěn)定性的SiO2氣凝膠材料。動態(tài)熱機械性能分析結(jié)果表明，經(jīng)過改性后的氣凝膠材料由原來的彈脆性材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄圆牧稀Ｉ鲜鰞煞N改性技術(shù)途徑所制備的氣凝膠均具有較強的疏水特性，與水的接觸角超過130°，最高可達151°，在濕度大于80％，溫度為50℃的條件下，氣凝

6、膠受潮氣的影響甚微，環(huán)境穩(wěn)定壽命可達60天以上，其環(huán)境儲存穩(wěn)定性和加工特性已基本達到ICF實驗用靶的需求。
　　在SiO2摻雜復(fù)合氣凝膠方面，著重開展了金屬粒子摻雜、金屬氧化物及金屬硫化物摻雜復(fù)合氣凝膠的制備工藝、結(jié)構(gòu)與性能等研究?；诜N子原位還原技術(shù)，探討了Au在SiO2溶膠顆粒表面原位還原形成摻金SiO2凝膠的機理及摻雜氣凝膠的性能，首次成功制備出納米Au摻雜的SiO2氣凝膠，Au摻雜重量百分比可達2.7％～4.2％;通過納米

7、粒子粘合法及二次凝膠化技術(shù)獲得了摻雜量可達80 wt％以上Cu摻雜復(fù)合氣凝膠;采用廣義兩步法和共水解法成功制備出復(fù)合均勻的GeO2/SiO2、Ta2O5/SiO2復(fù)合氣凝膠，產(chǎn)品GeO2/SiO2氣凝膠的典型密度為3～30mg/cm3，Ta2O5/SiO2密度為30～150mg/cm3;以常壓單源化學(xué)氣相沉積法開展了SiO2氣凝膠表面硫化鎘(CdS)薄膜沉積技術(shù)研究，成功地在氣凝膠內(nèi)外表面分別制備出CdS涂層，內(nèi)外表面的CdS涂層具有同