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陶瓷纤维增强氧化硅气凝胶复合材料力学性能试验

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复合材料学报 2014年第3期31卷 635-643页

作者：米春虎姜勇刚石多奇韩世伟孙燕涛杨晓光冯坚北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 国防科技大学航天科学与工程学院长沙410073

氧化硅气凝胶具有极低的热导率和密度,可作为很好的隔热材料,而脆弱的力学性能限制了其在隔热领域的应用。在不影响隔热效果的前提下,通过复合陶瓷纤维可增加氧化硅气凝胶的强度及韧性。试验探索了陶瓷纤维增强氧化硅气凝胶在室温下的... 详细信息

氧化硅气凝胶具有极低的热导率和密度,可作为很好的隔热材料,而脆弱的力学性能限制了其在隔热领域的应用。在不影响隔热效果的前提下,通过复合陶瓷纤维可增加氧化硅气凝胶的强度及韧性。试验探索了陶瓷纤维增强氧化硅气凝胶在室温下的拉伸、压缩和剪切等基本力学性能,分别研究了300℃、600℃和900℃下复合材料纤维铺层面方向的压缩性能,并采用扫描电子显微镜对高温试样微观结构进行了观察分析。结果表明:陶瓷纤维增强氧化硅气凝胶的性能表现出方向性,弹性模量在铺层面内方向与厚度方向的数值最大相差约28倍,强度极限亦然;在室温条件下,复合材料的拉伸和压缩弹性模量不同,X、Y和Z方向拉伸模量与对应的压缩模量之比分别为1.60、1.83和0.56;高温下复合材料沿厚度方向收缩,收缩量随温度升高而增大,900℃下的最大收缩量可达10.8%;高温下复合材料铺层面内方向压缩性能随温度升高而增强。

关键词：陶瓷纤维氧化硅气凝胶复合材料力学性能隔热微观结构

激光烧蚀掺杂氧化硅气凝胶产生SiO_2团簇的实验研究

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中国激光 1996年第11期23卷 1011-1015页

作者：赵利沈军张荣君王珏李郁芬复旦大学物理系同济大学波耳固体物理研究所

利用飞行时间质谱方法．研究了多种掺杂氧化硅气凝胶在激光作用下在负离子通道中的团簇形成特性．测得几个主要的ＳｉＯ２团簇系列．讨论了掺杂物在激光能量吸收及传输与团簇产生机理中的重要作用。

关键词：激光烧蚀气凝胶氧化硅气凝胶 SiO2团簇

陶瓷纤维增强氧化硅气凝胶隔热复合材料的力学性能

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硅酸盐学报 2009年第1期37卷 1-5页

作者：高庆福冯坚张长瑞冯军宗武纬姜勇刚国防科技大学航天与材料工程学院陶瓷纤维复合材料国防科技重点实验室长沙410073

将陶瓷纤维与氧化硅溶胶复合经超临界干燥得到陶瓷纤维增强氧化硅气凝胶隔热复合材料。研究了陶瓷纤维体积分数以及气凝胶密度对材料力学性能的影响,分析了纤维对气凝胶隔热复合材料的增强机制。结果表明:纤维与气凝胶复合后,气凝胶充... 详细信息

将陶瓷纤维与氧化硅溶胶复合经超临界干燥得到陶瓷纤维增强氧化硅气凝胶隔热复合材料。研究了陶瓷纤维体积分数以及气凝胶密度对材料力学性能的影响,分析了纤维对气凝胶隔热复合材料的增强机制。结果表明:纤维与气凝胶复合后,气凝胶充分填充纤维之间的空隙.复合材料力学性能得到显著改善。气凝胶隔热复合材料的力学性能随纤维体积分数的增大先增后减,随气凝胶密度的增大则逐渐增大。当纤维体积分数为7.6%,气凝胶密度为0.202g/cm^3时,材料抗拉强度、抗弯强度分别为1.44,1.31 MPa,抗压强度可达0.59MPa(30%形变)、1.28MPa(25%形变)。

关键词：氧化硅气凝胶隔热复合材料陶瓷纤维力学性能

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氧化硅气凝胶绝热材料及其建筑减碳应用

无机盐工业 2021年第9期53卷 1-5页

作者：张广鹏吴会军刘彦辰杨丽修广州大学土木工程学院建筑节能研究院广东广州510006 广州大学广东省建筑节能与应用技术重点实验室

无机氧化硅气凝胶因具有超低导热系数、A级不燃、吸湿率低、轻质等特点,在航天航空、工业及建筑领域的节能减碳方面具有广泛的应用潜力。然而氧化硅气凝胶力学性能差、制备成本高等缺点限制了其发展应用。介绍了氧化硅气凝胶绝热材料制... 详细信息

无机氧化硅气凝胶因具有超低导热系数、A级不燃、吸湿率低、轻质等特点,在航天航空、工业及建筑领域的节能减碳方面具有广泛的应用潜力。然而氧化硅气凝胶力学性能差、制备成本高等缺点限制了其发展应用。介绍了氧化硅气凝胶绝热材料制备工艺的研究进展,对氧化硅气凝胶在建筑领域的应用形式(如超轻气凝胶泡沫混凝土、超高性能气凝胶保温隔热板、超低传热系数气凝胶节能玻璃等)进行了综述,并对氧化硅气凝胶在建筑节能领域的发展方向进行了展望。响应碳中和发展目标,随着气凝胶制备技术的发展与成本降低,氧化硅气凝胶绝热材料将在建筑墙体保温隔热方面广泛应用,同时对其性能提出了更多功能性要求,对氧化硅气凝胶材料还需开展更系统的基础研究以及工程应用技术研发,推动建筑领域的节能减碳与可持续发展。

关键词：氧化硅气凝胶绝热材料建筑减碳碳中和

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氧化硅气凝胶纳米粒子热力学性能的机理研究

氧化硅气凝胶纳米粒子热力学性能的机理研究

作者：杨云石家庄铁道大学

学位级别：硕士

目前传统的块状氧化硅气凝胶存在着脆性大、韧性和热稳定性差等缺点,严重制约了气凝胶的大规模应用。氧化硅气凝胶的结构特性如成分比例、致密度和粒径等决定着其热力学性能,由于实验表征尺度的局限性,目前氧化硅气凝胶微结构特征与热... 详细信息

目前传统的块状氧化硅气凝胶存在着脆性大、韧性和热稳定性差等缺点,严重制约了气凝胶的大规模应用。氧化硅气凝胶的结构特性如成分比例、致密度和粒径等决定着其热力学性能,由于实验表征尺度的局限性,目前氧化硅气凝胶微结构特征与热力学性能的关联性还不明确。因此,本文从微结构出发,以设计具有可控热力学性能氧化硅气凝胶为目的,采用分子动力学方法研究氧化硅气凝胶中O/Si摩尔比(OSMR)、密度(ρ)以及粒子半径(R)对热力学性能的影响规律。本文的研究结果有望指导实验通过控制成分比例、密度以及纳米粒径大小来优化气凝胶热力学性能,拓宽气凝胶的多场景应用。采用Kieffer方法并结合Wolf-BKS势函数,建立了OSMR=1.5、1.6、1.7、1.8、1.9和2.0,ρ=250和430 kg/m,R=20和30 nm的氧化硅气凝胶纳米粒子模型,并从键长、键角、配位方式和微结构等方面分析了纳米粒子的结构特征。同一ρ和R下,随着OSMR从1.5增加到2.0,纳米粒子Si-O键键长增加,Si-O-Si键键角变大,O-Si-O键键角变小,分形维数减小,配位方式由Si(O)主导变为以Si(O)为主导,纳米粒子骨架分布不均匀性增加,小骨架减少,骨架致密度变大,孔径增加;同一OSMR和R下,随着ρ的增大,纳米粒子骨架致密度增加,均匀性变好,键长、键角均不发生变化;同一OSMR和ρ下,随着R的增大,纳米粒子更易形成球形结构。通过对氧化硅气凝胶纳米粒子模型进行力学单轴压缩-卸载模拟,分析了OSMR、ρ和R对弹性模量、抗压强度、内耗和残余应变等热力学性能的影响规律,揭示了不同微结构特征的氧化硅气凝胶在力学加载-卸载过程中的微结构演化机制,得出强韧化氧化硅气凝胶的最优结构特征。OSMR=1.5,ρ=430 kg/m和R=30 nm的氧化硅气凝胶纳米粒子有最大的弹性模量和抗压强度,韧性最好,且在加载-卸载过程中内耗最小并且残余应变为0,即可以完全回复到初始状态。当ρ=430 kg/m,同一R下,随着OSMR的增加,氧化硅气凝胶纳米粒子能承受的弹性模量变小,抗压强度降低,内耗逐渐增加,并且残余应变逐渐增加;当ρ=430 kg/m,同一OSMR下,R增大,弹性模量和抗压强度增加,内耗增加,R的大小不影响残余应变。当ρ=250 kg/m,在不同的OSMR和R下,氧化硅气凝胶纳米粒子所能承受的应力较小。最后,通过对力学模拟变形过程中键长和键角的演化分析,得到氧化硅气凝胶纳米粒子强韧化的微观机理。氧化硅气凝胶纳米粒子在加载-卸载过程中,通过键角的变化来承受应力;OSMR=1.8、1.9和2.0时氧化硅气凝胶纳米粒子在加载-卸载过程中产生的残余应变分别为0.1、0.35和0.35。因为在这三种OSMR下,随着应变的增加,氧化硅气凝胶纳米粒子的键角变化范围变大,并在卸载过程中,这部分键角没有回复到初始状态。通过对不同区域的键角变化进行分析得到,氧化硅气凝胶纳米粒子内部的受力不均匀,最顶端的键角所承受的应力最大,且变化范围较大。

关键词：氧化硅气凝胶分子动力学纳米材料热力学性能

氧化硅气凝胶的可控制备及其被动热管理性能研究

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氧化硅气凝胶的可控制备及其被动热管理性能研究

作者：王静中国科学技术大学

学位级别：硕士

气凝胶是一类分散介质为气体的纳米多孔材料,兼具重要科学研究意义和工程应用价值。其中氧化硅气凝胶凭借超级隔热保温性在空天、建筑等领域应用广泛。近期研究表明氧化硅气凝胶的热管理性能不仅与超低热导率相关,也与其光谱性质关系密... 详细信息

气凝胶是一类分散介质为气体的纳米多孔材料,兼具重要科学研究意义和工程应用价值。其中氧化硅气凝胶凭借超级隔热保温性在空天、建筑等领域应用广泛。近期研究表明氧化硅气凝胶的热管理性能不仅与超低热导率相关,也与其光谱性质关系密切。为了深入探索其热管理行为及调控机制,本文合成了具有不同光学性质的氧化硅气凝胶,通过光谱调控与复合结构设计,系统研究了氧化硅气凝胶的热管理行为并拓展了应用范围,完善其在严寒地区的供热以及制冷与保暖双模态调控的相关研究,响应节能减碳的远景目标。主要成果如下:1.透明氧化硅气凝胶的制备及被动加热研究:结合溶胶凝胶法和超临界干燥制备氧化硅气凝胶块体,在太阳光谱区的透过率高达97%。受北极熊毛皮结构的启发,设计了一种仿生多层结构(Bionic Multilayer Structure,BMS)——透明气凝胶-光热转换材料-相变储能材料。BMS实现寒冷户外有效加热(增量为60℃),维持在20℃以上的时间长于对比结构130～330%。1小时的模拟阳光照射使BMS保持舒适温度近3小时,高于环境温度7小时。BMS模型房屋展现12.1℃的冬季增温。COMSOL模拟验证BMS强大的加热和续航能力。该设计适用于无电偏远地区或寒冷季节的被动供暖,成为在严寒条件中实现太阳辐射热管理的一种前景性策略。2.氧化硅气凝胶的光谱设计及被动热管理研究:氧化硅气凝胶隔热保温性验证结果与工作一户外数据截然相反。针对该矛盾提出合理的热管理机制:高透射率增强白天太阳辐射加热,高发射率引发夜间辐射制冷。为了实现白天降温、夜间保暖的目标效果,通过分子结构设计和金属涂层构筑来分别降低透射率和红外发射率。透射率降低仅完成日间10℃降温,并未实现夜间保暖。铝膜的调控在实现10℃日间制冷的同时缩小了夜间温差。以此构建的模型房屋获得日间反向低于环境5℃、夜间趋近环境温度的效果,而热源的引入凸显更优异的夜间保温效果,为全天被动热管理提供更综合的指导。3.氧化硅气凝胶的热管理与热导率/发射率的关系:工作一和工作二表明热导率和发射率对热管理结果影响显著。选择热导率和发射率差异的5种材料进行户外单独测试,热导率范围在0.0252～386.4 W/m·K,红外发射率为0.07～0.95。COMSOL模拟热导率相同、发射率不同及发射率相同、热导率不同这两种情形分别在寒冷环境中的夜间降温水平。所得规律有:(1)辐射制冷是物质的普遍现象;(2)发射率一定时,热导率仅影响降温速度,不(较少)影响降温幅度;(3)热导率一定时,发射率越高,降温幅度越大。

关键词：氧化硅气凝胶被动热管理透过率发射率

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介孔固体新材料氧化硅气凝胶的研究

中国科学技术大学学报 1998年第5期28卷 624-628页

作者：姚连增李远红牟季美中国科学技术大学材料科学与工程系

氧化硅气凝胶是一种低密度、高孔隙率的纳米非晶固态材料，也是一种极具应用前景的介孔固体材料．采用溶胶－凝胶法和超临界干燥技术，制备出品质优良的二氧化硅气凝胶，采用ＸＲＤ、ＴＥＭ、ＢＥＴ等手段对样品的比表面积、孔隙率及力... 详细信息

氧化硅气凝胶是一种低密度、高孔隙率的纳米非晶固态材料，也是一种极具应用前景的介孔固体材料．采用溶胶－凝胶法和超临界干燥技术，制备出品质优良的二氧化硅气凝胶，采用ＸＲＤ、ＴＥＭ、ＢＥＴ等手段对样品的比表面积、孔隙率及力学性质等进行了初步研究．

关键词：介孔固体氧化硅气凝胶超临界干燥介孔材料

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柔性氧化硅气凝胶隔热复合材料的制备和性能

宇航材料工艺 2012年第2期42卷 42-46页

作者：冯坚冯军宗姜勇刚国防科学技术大学航天与材料工程学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

以正硅酸乙酯为原料,高硅氧纤维为增强体,采用氨水催化一步法制备了柔性的纤维增强氧化硅气凝胶隔热复合材料。当pH=7时,气凝胶的比表面积最大;水含量增大,比表面积降低;乙醇含量增大,比表面积增大,EtOH/TEOS(摩尔比)大于10以上,比表面... 详细信息

以正硅酸乙酯为原料,高硅氧纤维为增强体,采用氨水催化一步法制备了柔性的纤维增强氧化硅气凝胶隔热复合材料。当pH=7时,气凝胶的比表面积最大;水含量增大,比表面积降低;乙醇含量增大,比表面积增大,EtOH/TEOS(摩尔比)大于10以上,比表面积增加不明显,趋于稳定。以比表面积较大的气凝胶作为基体的柔性复合材料常温热导率为0.031 W/(m.K)[纯高硅氧纤维毡为0.044 W/(m.K)]。该柔性隔热材料安装方便,特别适用于大面积、不规则形状的包覆隔热。

关键词：氧化硅气凝胶隔热材料复合材料热导率

负载胺基氧化硅气凝胶的制备及其CO_2吸附性能研究（英文）

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稀有金属材料与工程 2016年第S1期45卷 545-549页

作者：岳晨午冯坚姜勇刚冯军宗国防科学技术大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室湖南长沙410073

为了提高氧化硅气凝胶对低分压CO_2的吸附性能,以正硅酸乙酯和氨丙基三乙氧基硅烷为先驱体,通过溶胶-凝胶过程制备了比表面积较大、表面胺基丰富的负载胺基氧化硅气凝胶。负载胺基氧化硅气凝胶对低分压CO_2的吸附量随着氮含量的增加而... 详细信息

为了提高氧化硅气凝胶对低分压CO_2的吸附性能,以正硅酸乙酯和氨丙基三乙氧基硅烷为先驱体,通过溶胶-凝胶过程制备了比表面积较大、表面胺基丰富的负载胺基氧化硅气凝胶。负载胺基氧化硅气凝胶对低分压CO_2的吸附量随着氮含量的增加而增大。在25℃时,对CO_2含量为0.5%(总压为100kPa)、相对湿度为60%的气体的CO_2吸附量可达1.85mmol/g。由于胺基通过化学键与氧化硅气凝胶骨架相连,同第2个循环相比,负载胺基氧化硅气凝胶第10个循环的吸附量没有出现下降,这说明负载胺基氧化硅气凝胶具有良好的长期使用性能。

关键词：胺基氧化硅气凝胶 CO2 吸附氮含量