耐高温气凝胶绝热材料的研究进展

李万景　刘溧　高相东

摘 要： 绝热材料主要是指可以阻止或者减少辐射、对流、传导所形成的热传递材料，其在热力设备、管道、保温及保冷方面具有重要应用。因多数绝热材料存在多孔的网状结构，并具有疏松多孔、高强度、阻燃性强等优点，也常用于建筑行业。气凝胶就具备独特的纳米网状结构，其体积密度较小，热导率甚至低于空气，气凝胶已成为首选的绝热材料。基于此，本研究通过分析气凝胶的绝热机理，结合相关实例探讨耐高温气凝胶绝热材料的研究进展。

关键词：耐高温气凝胶;绝热材料;研究;应用

1 前言

绝热材料广泛应用于化工与冶金、能源、航空航天等领域，随着科学技术的进步，有关工艺技术在不断提升，对绝热材料的选择亦提出更为严格的要求。对比传统的隔热材料而言，虽然拥有不错的隔热性能，但是没有体现出耐高温特点，加上密度大，在实际应用中存在明显的缺陷。多数气体的导热系数相对较低，可因为存在对流传热的效应，加上红外辐射的影响，并不能将气体单独视作绝热材料。气凝胶属于分散介质是气体的凝胶材料，它主要是由胶体粒子或者高聚物分子聚集形成的纳米多孔性固态材料，以SiO2气凝胶为例，其孔隙率甚至可达到99%，常温状态下的热导率极低，拥有较好的隔热性能[1]。

2绝热材料的分类及特性

当前，针对常见的绝热材料种类有多种划分方法，依据材质的差异可分成无机类、有机类、金属类;依据形态不同又可分成纤维状、气泡状、多孔状、粉末状等;利用施工方式可划分为填充式、罐装式、包裹式等;结合组织结构则涉及到有机高分子型、多孔颗粒型、多孔纤维型等[2]。不同种类的绝热材料具体应用范围自然存在差异，通常无机类绝热材料因具备耐腐蚀、不易燃等特性，多应用于管道或者设备的保温，像珍珠岩、硅酸盐及泡沫混凝土等;有机类的绝热材料总体上密度较小且导热系数相对较低，可用作低温保冷项目，像软木、聚氨基甲酸酯泡沫等。在不可再生能源日益匮乏的条件下，探寻出低碳环保、性能优良的新型绝热材料尤为重要，耐高温气凝胶绝热材料的应用就属于更好的选择。

3耐高温气凝胶绝热材料的绝热机理

按照通常传热过程划分，主要包括四种形式，即固体材料热传导、气体分子的热传导、气体的对流传热以及红外辐射传热过程。在计算最终热量传递期间，需要将上述四种传热方法获得的总热量予以统计。针对耐高温气凝胶绝热材料而言，之所以能够保证拥有良好的绝热性能，就在于具备较低的热导率，从上述四个方面观察，对传导过程分析如下。

3.1在固体热传导阶段

气凝胶表现为固体时，其质量分数相对较小，并且呈现为多孔的状态。气凝胶的孔直径多属于纳米级，单从固相特征观察，表现为众多微孔所构建起来的薄孔壁。热量在固体物质中传递期间必须要经过持续性的传导，由于气凝胶固体导热能力较差，又加上路径漫长效应的影响，自然会影响到热量的传导。研究发现，耐高温气凝胶绝热材料的热传导率在固态状态下明显低于玻璃状态[3]。

3.2在辐射热传导期间

气凝胶材料拥有独特的纳米孔结构，在其内部构成众多的固气界面。实现热辐射期间，对应的射线在穿到该界面过程中，会出现吸收、反射和再辐射的过程，这就相当于在热辐射射线穿越界面期间受到多重阻碍，经过来回反射和吸收，最终导致热辐射传导能力急剧降低，多数热量丧失于表层，因此气凝胶绝热材料表现出常温状态下辐射热传导低的特点。

3.3气体分子热传导过程

气体热量传导的过程通常结合碰撞理论来解释，在传导期间主要是温度状态下速度较快的分子碰撞到了低温状态下速度较慢的分子，从而实现能量传递的过程。正常状态下，气体分子的自由程属于纳米級范围，而气凝胶的气孔尺寸一般低于该临界值，表现出气凝胶纳米孔中的气体分子难以有效碰撞的特点，这就会从根本上阻断气体分子传热的过程。

3.4对流热传导的过程

正常状态下，进行对流热传导均处于较大的空间范围内，而气凝胶的气孔孔径值通常较低，多数为纳米范围。在构建成纳米孔的情况下，空气分子自然不具备宏观迁移能力，这也说明该状态并不满足对流传热的条件，所以对流热传导过程无法在耐高温气凝胶绝热材料中实现[4]。正是由于气凝胶绝热材料具有上述特性，最终才表现出较低导热系数的状态。

4耐高温气凝胶绝热材料的制备过程

针对氧化物气凝胶而言，其合成步骤通常涉及到溶胶—凝胶水解缩合与超临界干燥两个方面。通常在形成凝胶以后，在经历修饰、防开裂处理后就会达到醇凝胶状态，满足该条件时就可以实施干燥。在采取传统干燥方法期间，主要是直接予以加热处理，不过，因凝胶表面存在亲水离子团，这会导致凝胶微孔具备较强的毛细作用，这种毛细作用力会使凝胶体中的孔隙逐渐消失，在不断压缩凝胶体积的条件下，最终致使开裂。按照当前的干燥处理过程，可划分为超临界干燥与非超临界干燥。

第一，应用超临界干燥处理时，主要表现为超临界状态会使气液界面趋于消失，表面张力无法发挥其作用。在此条件下，当超临界流体从凝胶中排除时，并不会出现结构塌陷或者骨架收缩的情况，可保证气凝胶的快状整体性。

第二，采用非超临界干燥期间，主要是在凝胶陈化后，使用表面张力相对较小的液体取代张力较大的液体，然后借助常压条件实施干燥过程得到气凝胶。通常纯气凝胶拥有脆性高、强度小、高温状态下辐射热传导上升迅速等特征，为了确保其拥有更好的应用性能，要对其进行复合改性处理。例如，针对SiO气凝胶而言，为了提升其韧性，可加入无机纤维，最终实现提升抗压强度、拥有耐温性的目标[5]。

4.1AlO气凝胶

Al2O3气凝胶拥有密度小、高孔隙率、结构强度大等特点，它在载体、隔热、催化剂方面有极大的应用价值。从AlO气凝胶的制备过程来看，其与SiO气凝胶较为相似，采用的是溶胶—凝胶工艺与超临界干燥方式，通常是借助醇铝盐或者无机铝盐水解缩聚来实现。除去单独制备纯AlO气凝胶外，还可以将其和其它种类的氧化物进行复合。

4.2ZrO气凝胶

研究表明，ZrO的电学、力学和光学方面拥有不错性能，该物质的气凝胶同样具备良好性能，属于高温轻质绝热材料的不错选择。在制备ZrO气凝胶期间，通常应用锆醇盐或者无机锆盐为原材料，借助沉淀法或者溶胶—凝胶法来进行制备。选择无机锆盐制备ZrO2气凝胶时，首先要将无机锆盐的醇水溶液进行加热，改变溶液的介电常数，使其在转变成饱和状态后变成胶体。

5结语

综上所述，耐高温气凝胶绝热材料能够弥补传统隔热材料的不足，在多个领域具有重要的应用价值。不过，在实际制备过程中，制备得到的气凝胶材料通常属于粉体，而且在应用阶段，纯气凝胶本身力学强度较低，通常要借助纤维增强复合改性，同时，在制备过程中必须考虑成本问题，需要保证成本可控。因此，只有借助复合、掺杂改性等处理过程，才能保证气凝胶绝热材料性能进一步提升。

参考文献

[1] 彭飞，姜勇刚，冯坚，等. 耐高温氧化铝气凝胶隔热复合材料研究进展[J]. 无机材料学报，2021，36（7）：673-684.

[2] 罗伟，王林生，陈裕欣，等. 有机-无机复合气凝胶的制备及其阻燃性能研究进展[J]. 复合材料学报，2021，38（7）：2056-2069.

[3] 吕双祺，李想，左渝钰，等. 气凝胶隔热复合材料在空天飞行器热防护技术中的应用[J]. 飞航导弹，2020（5）：19-25.

[4] 沈晓冬，吴晓栋，孔勇，等. 气凝胶纳米材料的研究进展[J]. 中国材料进展，2018，37（9）：671-680.

[5] 丁逸栋，刘朝辉，王飞，等. SiO气凝胶绝热涂层隔热与耐高温性能研究[J]. 表面技术，2017，46（4）：197-204.