KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 氧化铝基气凝胶复合材料的合成、结构及性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
杨景锋
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| Thesis Advisor | 王齐华 ; 梁永民 |
| 2018-05-24 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Department | 先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 氧化铝气凝胶 氧化硅 比表面积 导热系数 热稳定性 Alumina aerogel Silica Specific surface area Thermal conductivity Thermal stability |
| Abstract | 氧化铝气凝胶具有一般气凝胶的高孔隙率、比表面积、低密度和低的导热系数等特点外，还具有优异的热稳定性。相比氧化硅气凝胶，氧化铝气凝胶使用温度更高，可达到1000℃以上，对于航空航天等尖端领域的高温隔热有重要意义。到目前为止，对于高温隔热的氧化铝气凝胶的研究仍然较少，在氧化铝基气凝胶的合成工艺以及其复合材料结构设计，性能改进方面还需进一步研究。本论文主要的研究内容可概括为以下两点：1）探索高效、便捷的耐高温氧化铝气凝胶材料的合成方法；2）探索氧化铝气凝胶的掺杂改性，以期制备出耐更高温度，具有更好的隔热性能及强度的氧化铝基气凝胶复合材料，为航空航天等尖端领域迫切的高温隔热需求提供合适的解决方案。 第一章中，我们综述了气凝胶的发展历程以及其性能和应用，从气凝胶的研究现状，合成机理及合成工艺等方面对氧化铝气凝胶进行了回顾，并提出了本论文的选题依据和研究内容。 第二章中，我们以仲丁醇铝作为前驱体合成了氧化铝气凝胶，探讨了溶胶凝胶过程中的水解及缩聚反应机理，研究了超临界干燥工艺中工艺参数对气凝胶结构和性能的影响；在此基础上，发展了一种氧化铝气凝胶的快速制备方法，该方法相比常规方法，减少了溶剂消耗，合成周期短，且制备的气凝胶比表面积高。 第三章中，为了提高氧化铝气凝胶的热稳定性，采用镧对氧化铝气凝胶进行了掺杂改性，考察了其结构和性能。结果发现镧能附着在氧化铝的表面，和氧化铝形成了LaAl11O18，抑制了氧化铝纳米粒子的烧结和相变。因此，镧的掺入有效的提高了氧化铝气凝胶的比表面积，并改善了热稳定性。当镧铝的摩尔比为0.05时，镧掺杂的氧化铝气凝胶具有最高的比表面积和耐高温性能。 第四章中，通过硅掺杂氧化铝气凝胶的研究，进一步提高氧化铝气凝胶的热稳定性和比表面积。研究表明，硅的掺杂，抑制了氧化铝粒子的烧结，延缓了氧化铝γ-θ的相变；在1200°C热处理后，氧化硅和氧化铝粒子能反应形成莫来石，进一步抑制了氧化铝θ-α相的转变，提高了其热稳定性。同时掺杂硅的氧化铝气凝胶比表面积较高。当氧化硅掺杂的量为10.6~13.1wt.%时，在1000°C比表面积能达到311m2/g；在1200达到146m2/g，相比镧掺杂的氧化铝气凝胶，氧化硅掺杂的效果更好。 第五章中，基于氧化钛具有良好的红外遮蔽能力，能减小高温红外辐射导致的热传递，我们在氧化铝气凝胶中引入了氧化钛，分别采用了钛酸丁酯和钛酸钾晶须作为前驱物，制备了氧化钛-氧化铝复合气凝胶材料，考察了氧化钛的含量对复合气凝胶材料的结构和性能的影响。结果显示，当钛酸丁酯作为钛源时候，超临界干燥诱发了锐钛相的结晶，而锐钛相的结晶促进了氧化铝气凝胶从勃姆石向γ-Al2O3的转变；而钛酸钾晶须作为钛源的时候，复合气凝胶没有出现这种转变，说明热稳定性较前者好。在氧化钛-氧化铝复合气凝胶材料中，氧化铝的存在阻碍了氧化钛的烧结，使得锐钛相到金红石相的转变被延缓到1000℃，锐钛相的稳定性被提高。 第六章中，在前面研究的基础上，我们采用莫来石纤维对氧化铝-氧化硅气凝胶进行增强，考察了其组成结构，强度及高温隔热性能，以便实现氧化铝气凝胶在高温隔热领域的应用。结果显示高温粘结剂的引入能显著提高莫来石纤维骨架的强度，从而改善了气凝胶复合材料的强度。同时莫来石纤维骨架的强度和密度能影响气凝胶复合材料的强度和隔热性能。因此，通过调整粘结剂和莫来石纤维的用量，可以实现莫来石纤维/氧化铝-氧化硅气凝胶复合材料的不同强度、密度和隔热性能，从而满足航空航天领域的各种不同高温隔热需求。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25306 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 杨景锋. 氧化铝基气凝胶复合材料的合成、结构及性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2018. |
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