论新型氧化物气凝胶复合材料的性能制备研究

论新型氧化物气凝胶复合材料的性能制备研究

田冠宇 张锐 白琪俊 邓林

贵州航天乌江机电设备有限责任公司 563000

【摘要】随着国家科学技术的发展，各行各业都实现了较大的进步，为人们的生产生活提供了更加便利的条件。尤其是全球一体化进程的深入，对于超声速飞行器的要求越来越高，在研发该类设施的时候，需要有良好力学性能和耐高温、轻质的隔热材料，而新型氧化物气凝胶复合材料作为一种性能优异的材料，在现阶段有非常广泛的应用。但由于该材料受到其他因素的影响，实际在工程中应用的时候力学性能会大大降低，因此，本文针对新型氧化物气凝胶复合材料的性能制备进行了多角度、深层次研究，希望可以进一步促进我国材料领域的有序健康发展。

【关键词】氧化物；气凝胶复合材料；性能；制备

在上世纪30年代合成制备得到的气凝胶，随着研究的深入，该材料的应用范围也越来越广泛，是目前全世界都非常关注的新型材料，在物理学、哈偶尔、热学、力学等众多领域，都有非常显著的应用效果。

一、气凝胶特性

（一）热学性质

气凝胶的热导率是非常低的，主要分为辐射、固态和气态热导率三个部分。其中，辐射热导率主要是和温度有关。由于气凝胶基体的孔径一般为介孔，小于常温下的分子平均自由程，因此，气态热导率被大大降低；气凝胶的错综复杂的三维纳米多孔结构使得固态热导率降低。同时，氧化物气凝胶是不易燃的，而且耐温性较高。气凝胶材料的热稳定性与气凝胶的化学组成有着密切的关系。如通过超临界干燥法得到的二氧化硅气凝胶可以在较高温度下保持稳定，这主要是因为二氧化硅气凝胶的孔壁一般是由无定形的二氧化硅构成的，而二氧化硅在空气中的热稳定性很高，因此氧化硅气凝胶可以在高温下保持很好的热稳定性。

（二）力学性质

气凝胶是一种独特的纳米多孔材料。由于气凝胶脆弱的纳米多孔结构导致气凝胶材料自身的强度很低、结构不稳定、韧性差。目前制备出的介孔结构气凝胶材料由于其的孔壁无序而且孔道空旷，所以与其隔热材料相比，气凝胶力学性能相差很多。对于气凝胶材料来说，气凝胶材料的强度指标包含抗拉强度和屈服强度两种，大多通过样品承压能力，即在断裂前试样最大载荷来表示。

气凝胶材料的弹性性质用弹性模量E来表示，并满足标度定律，即

E P （ =3.2-3.8）（1-1）

式(1-1)中，P为气凝胶的密度， 指数位标度参数与气凝胶的制备条件相关。

（三）催化性质

由于气凝胶本身拥有极高的比表面积和孔隙率，因而气凝胶经常被用作催化剂载体。Ryu等制备并研究了铂/铌，复合SiO₂气凝胶的催化性能，研究发现在催化甘油加氢脱氧的反应中，不同比例复合的SiO₂气凝胶均保持着较好的催化性能，是一种具有高度稳定性和较强活性的催化剂。气凝胶作为催化剂在硝基化反应、过氧化反应、异构化反应等方面均有很好的应用。

二、气凝胶材料的制备

（一）气凝胶材料的制备

气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在孔隙中充满气态分散介质的高分散固态材料，其固体相和孔隙结构均为纳米量级，微观结构呈现出“蜂窝状”的多孔形貌。其制备主要包含湿凝胶制备及湿凝胶干燥两个阶段。

制备湿凝胶最常用的方法为溶胶一凝胶法。其Jas路是先在特定的溶剂体系中得到均匀分布的凝胶基元，然后通过控制pH,温度、压力等参数使基元间发生缩聚反应，进而形成凝胶网络。以正硅酸四乙酯(TEOS)前驱体为例，凝胶网络主要通过前驱体的水解和硅酸单体缩聚两个过程形成。首先，TEOS在酸性条件下发生水解，生成大量的硅酸单体，得到均匀的溶胶体系。之后，通过调节体系的pH，使硅酸单体之间发生缩聚反应，最终形成三维分子网络凝胶，其形成过程如下式所示。

水解过程表达式为：

缩聚过程表达式为：

湿凝胶的干燥主要采用超临界干燥、真空冷冻干燥、常压干燥等方法，干燥过程中应尽量避免凝胶网络中的孔隙坍塌导致的凝胶体积收缩，这是气凝胶材料能否获得高孔隙率和高比表面积的重要步骤。简单地说，气凝胶的制备过程可总结为聚合、凝胶、老化和干燥四个过程。

（二）气凝胶材料体系

传统的气凝胶材料主要包含无机氧化物(如SiO₂)气凝胶、酚类和甲醛聚合形成的有机气凝胶(RF气凝胶),RF气凝胶碳化得到的碳气凝胶以及金属氧化物气凝胶，其中，无机氧化物气凝胶一直是研究人员广泛研究和关注的材料。此外，各类氧化物气凝胶的成功制备也越来越受到重视，比较常见的氧化物气凝胶有A1₂0₃气凝胶、Zr0₂气凝胶、Ti0₂气凝胶、Cu0气凝胶等，表1总结了几种常见氧化物气凝胶的典型性能参数。

表1 常见氧化物气凝胶参数

近年来，随着纳米材料领域的蓬勃发展，气凝胶材料领域也出现了石墨烯气凝胶、碳纳米管气凝胶、陶土气凝胶、间规聚苯乙烯纤维气凝胶、纤维素气凝胶、金属纳米线气凝胶等一些具有新型结构和性能的气凝胶材料，这使得气凝胶的材料体系更加丰富起来。

三、气凝胶材料发展趋势

尽管气凝胶材料种类繁多，在许多领域有着广阔的应用前景，但是由于气凝胶材料自身的结构具有一定的脆性，导致其单独使用时很难得到大规模运用。

（一）强度改善

气凝胶的增强工作一直是研究者的热门课题，其中的一种思路是对气凝胶进行改性，使其具有柔性，例如采用甲基三乙氧基硅烷(MTES)为前驱体，甲醇(MeOH)为溶剂，草酸和氨水作为催化剂，可制备出柔性的Si0₂气凝胶。其杨氏模量低至3.95×104 N/m⁴，具有优良的柔韧性。另一种思路是利用纤维等增强体与气凝胶进行复合，以提高气凝胶强度。

（二）金属气凝胶

金属气凝胶这个概念首先被Yue Tang等提出，指由金属纳米粒子组成的纳米网络结构构成的气凝胶，该类气凝胶不仅具有金属的特性，还具有高比表面积、超轻以及高孔隙率等性能，这赋予了金属气凝胶独特的性能，同时也扩展了气凝胶的应用范围。

四、结束语

总而言之，当前对于新型材料、新技术、新理念的应用越来越重视，相关专家学者也逐渐加大了对新型氧化物气凝胶复合材料的研究深度，虽然在近些年取得了非常大的进展，但在气凝胶材料吸湿性、有限透明度和高度松脆性方面还需要进一步改善，尽可能确保气凝胶材料的可控合成尽快实现。并且，在后期开展研究的时候，要进一步增强气凝胶材料的力学性能，减少其缺陷，为各领域的应用提供更加优质的材料。

【参考文献】

[1]刘日勇.二氧化硅气凝胶及其复合材料的制备与性能研究[D].海南大学 2020.

[2]赵悦.SiO₂基柔性气凝胶及其复合材料制备与性能表征[D].北京交通大学 2019.

[3]冯坚,高庆福,张长瑞,等.SiO₂溶胶配比对气凝胶隔热复合材料力学性能的影响[J].复合材料学报. 2010(06).