《耐高溫Si-C-O氣凝膠複合材料組成、結構及其隔熱機理研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由馮堅擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：耐高溫Si-C-O氣凝膠複合材料組成、結構及其隔熱機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：馮堅
- 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
針對SiO2氣凝膠耐溫性較低問題，以改性的有機矽醇鹽引入C源，採用溶膠-凝膠、超臨界乾燥和裂解工藝，製備耐更高溫度的Si-C-O氣凝膠；針對Si-C-O氣凝膠強度低問題，以聚碳矽烷預氧化超細纖維棉為增強相，保持與氣凝膠同步原位裂解，實現 SiC纖維的增強與遮擋紅外輻射傳熱耦合匹配功能，獲得耐高溫、低熱導、高強度的Si-C-O氣凝膠隔熱複合材料在航天飛行器和民用節能減排等領域具有套用價值。採用FT-IR、NMR、XPS、TEM、氮吸附、熱導率測試等表征方法，研究不同工藝和環境（氣氛、溫度）下Si-C-O氣凝膠組成（Si-C鍵、自由C及SiC纖維等）、結構（顆粒和孔徑大小、分布等）和性能（耐溫性、強度、熱導率等）的演化規律，揭示裂解過程氣凝膠基體及其與纖維界面的收縮匹配機制、明晰組成與結構對Si-C-O氣凝膠耐溫性和熱導率的影響機制，對豐富氣凝膠材料體系和深化其隔熱機理具有重要的理論意義。
結題摘要
隨著高超聲速飛行器向長航時、高航速發展，其表面面臨愈加惡劣的熱環境，迫切需要研製一種能耐更高溫度的輕質高效隔熱材料來滿足飛行器發展的需求。本項目以二甲基二乙氧基矽烷（DMDES），正矽酸乙酯（TEOS）為原料，乙醇（EtOH）為溶劑，去離子水（H2O）為水解原料，鹽酸（HCl）為酸性催化劑，氨水（NH3•H2O）為鹼性催化劑，經過溶膠-凝膠、老化、乙醇超臨界乾燥和裂解等工藝流程製備Si-C-O氣凝膠，並對其工藝參數進行了最佳化，採用FT-IR、NMR、XPS、XRD、SEM、氮吸附法等表征Si-C-O氣凝膠材料的組成和微觀結構，獲得了材料的微觀結構，組成、比表面、孔徑、粒徑等物理參數；同時研究了超細SiC纖維增強Si-C-O氣凝膠隔熱複合材料的製備工藝，重點研究了裂解過程Si-C-O 氣凝膠的微觀結構轉化以及纖維增強氣凝膠複合材料的界面收縮匹配機制、耐高溫機制、隔熱機制，分析了不同溫度條件下材料的耐溫性能、隔熱性能及力學性能的變化，掌握了溫度對材料結構和性能的影響規律。獲得的Si-C-O氣凝膠複合材料在800℃、900℃、1000℃下熱導率分別為0.0319W/m•K、0.0378W/m•K、0.0430W/m•K，Si-C-O氣凝膠複合材料1000℃時壓縮強度為1.136 MPa (10%ε)；相對於SiO2氣凝膠隔熱材料的耐溫性（800℃），該材料具有更高的耐溫性能。 為了進一步掌握Si-C-O 氣凝膠材料組成、結構及性能控制實現方法，採用甲基三甲氧基矽烷為矽源、二甲基二乙氧基矽烷為碳源，通過工藝參數最佳化，製備了Si-C-O 氣凝膠隔熱材料。該Si-C-O氣凝膠複合材料在1500℃處理30min後，質量損失率為0.01%；材料的熱導率為0.181W/m•K，通過改變原料組合，進一步提高Si-C-O 氣凝膠材料的耐溫性能。 在此基礎上，向Si-C-O 氣凝膠體系中引入B原子，製備了SiBCO氣凝膠及其隔熱複合材料，該材料具有更高的耐溫性能和更低的高溫熱導率，經過1500 ℃高溫環境測試，材料的比表面積仍可達222.16 m2/g，常溫熱導率僅為0.138 W/m•K。 本研究對於豐富Si-C-O體系陶瓷理論和深化氣凝膠材料的高效隔熱機理具有重要的學術價值，對滿足民用節能減排以及航天飛行器對高性能隔熱材料的需求具有重要現實意義。
