毕业论文课题相关文献综述

1.选题背景

1.1气凝胶概述

气凝胶是一种新型的低密度非晶固态材料，由胶体粒子或高聚物分子相互聚集成连续的纳米多孔网状结构^[1]，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固体材料，其孔隙率可达80%～99.8%，孔洞尺寸一般在1～100nm之间，密度可在 2～600kg/m³范围变化。由于气凝胶纳米级骨架可降低固体热传导，纳米多孔结构可抑制气体热传导和对流传热，因此气凝胶具有优异的隔热性能，是目前公认热导率最低的固体材料^[2-5]（常温下约为0.015W/(mk)）。 然而气凝胶的低密度和高孔隙率导致其强度低、脆性大，限制SiO₂气凝胶在隔热领域的应用^[6]。

研究表明，采用纤维为增强相是提高气凝胶复合材料力学性能的有效方法。例如，Zhang等^[7]添加10%短切陶瓷纤维与气凝胶复合，得到的SiO₂气凝胶复合材料强度为0.016～0.096MPa。Parmenter等^[8]以多种短切纤维混合物为增强体，SiO₂气凝胶复合材料压缩强度为1.45MPa。Karout等^[9]采用SiO₂溶胶浸渍纤维预成型体，可获得具有一定强度、可重复使用的气凝胶复合材料。美国ASPEN公司^[10]将纤维与气凝胶复合制备柔性隔热气凝胶产品但力学强度相对较低。

SiO₂气凝胶的制备一般是通过溶胶-凝胶法，在硅醇盐中加入适量的水、溶剂和催化剂，使之发生水解-缩聚反应，得到醇凝胶，然后通过超临界干燥或经过老化、表面修饰等处理后采用常压干燥，将网络孔隙中的溶剂除去，得到充满气体的多孔、无序、具有纳米量级连续网络结构的低密度非晶体固态材料。

1.2 材料复合SiO₂气凝胶的制备

复合SiO₂气凝胶的制备主要包括三步：溶胶凝胶法制备醇凝胶、醇凝胶的老化及醇凝胶的干燥过程，即SiO₂气凝胶前驱体在催化剂作用下通过水解、缩聚反应形成凝胶，并添加一些增强体进行复合改性，然后进一步在恒温下陈化合格，最后通过干燥除去溶剂、水，从而形成复合SiO₂气凝胶。

1.3常压干燥法制备气凝胶

超临界干燥工艺耗能高，危险性大，设备昂贵且复杂，难以进行连续性及规模化生产。因此，采用成本较低的常压干燥工艺对SiO₂气凝胶降低制备成本、走向工业化生产具有重要意义^[11]。目前许多学者致力于降低SiO₂气凝胶的干燥条件，力求能在常压低温的条件下制备出SiO₂气凝胶，来代替在制备SiO₂气凝胶过程中成本相对较高、危险性较大的超临界干燥，这样气凝胶可以在普通实验室内制备，新型干燥方法的出现尤其是常压低温干燥方法，使得气凝胶的制备更加走向工业化。

常压干燥制备气凝胶的关键是防止在干燥过程中发生收缩、变形和碎裂，而这些现象的推动力主要来自于毛细管力^[12]。由于凝胶网络结构微细，其孔径分布的不均匀性就极易造成凝胶在干燥过程中收缩应力的不均匀性，气凝胶空隙两侧所受的应力大小不一样，这样就很容易造成凝胶骨架的垮塌。