摘要
随着科技的进步、高温工业领域的迅猛发展，亟需开发新型高效的高温隔热材料保护航空航天器、船舶、工业窑炉等在高温恶劣环境下运行的设备和部件，延长其使用寿命，提高安全性和可靠性。相关数据显示，工业领域能源消费量占全国总体消费量的65％,其中高温工业的能耗又占主导，高温隔热材料可降低使用能耗提高生产效率，因此高温隔热材料的开发和应用可促进能源及相关工业升级，在减少能源消耗、降低排放以及实现碳中和等方面发挥至关重要的作用，对实现国家经济健康可持续发展具有重要意义。 气凝胶作为多孔结构具有孔隙率高、密度低、导热系数小等优点，广泛用于隔热领域。氧化铝的熔点极高（2050 ℃），在1000 ℃以上的高温环境下有很好的抗热性能，且热导率低，可有效减缓热传导速度、减少热能损失和消耗。同时氧化铝具有良好的化学稳定性，能够抗氧化、耐酸碱腐蚀且机械强度优异，因此氧化铝基气凝胶材料是一种优质的高温隔热材料。 通过溶胶-凝胶法制备的传统氧化铝气凝胶，其三维骨架是由具有高表面能的氧化铝凝胶颗粒堆砌而成，因而具有“珠串状”微结构，致使气凝胶具有结构脆性;同时其非晶态组分在高温下易发生结晶生长和相变，从过渡相到稳定相氧化铝的转变是氧离子从面心立方（Fcc）到密排六方（Hcp）的晶格重构相变，进而导致气凝胶体积大幅度收缩、微观结构彻底破坏、隔热性能迅速下降。因此，传统氧化铝气凝胶的实际应用受到限制。基于此，本文摒弃传统的气凝胶制备方法，以稳定相的α-Al2O3基纳米材料作为结构单元，通过组装的策略来构筑三维多孔气凝胶材料应用于高温隔热领域。主要研究内容如下: 1.α-Al2O3纳米片基双相气凝胶的组装制备及其性质研究 通过化学吹塑法成功制备出横向尺寸高达数百微米、厚度低至几十纳米的α-Al2O3纳米片，并以预先制备的α-Al2O3纳米片作为组装单元，巧妙添加适量的二氧化硅溶胶作为高温黏合剂来构筑三维多孔气凝胶。除了作为高温黏合剂，二氧化硅溶胶还可在氧化铝表面形成玻璃状表面层阻碍铝离子的固相扩散，且在高温处理后与氧化铝在晶界处发生反应生成莫来石进而抑制氧化铝晶粒生长。通过维持二维组装基元的结构进而维持三维多孔气凝胶结构的稳定性，提高耐温性。莫来石中硅铝离子扩散困难，晶格位错滑移阻力大，具有优异的高温抗蠕变性能，同时其线膨胀系数低、抗热震性能好，是一种优质的耐火材料。所以硅溶胶除了抑制片状氧化铝的生长形变，还可生成莫来石来包裹片状氧化铝，这种稳定的氧化铝-莫来石双相组分使得α-Al2O3纳米片基双相气凝胶（ANSAs）具有优异的热稳定性，即使1600 ℃高温煅烧30min后线收缩率仅为～3.6％,且具有较低热导率（室温下为0.029 W·m-1·K-1）。制备α-Al2O3@mullite核壳结构的二维纳米片作为组装单元构筑气凝胶（AMSAs），在高温连续的能量输入下，这种核壳双相结构通过晶格间的相互抑制进一步提高气凝胶的耐温性。 2.莫来石纳米片/TiO2纳米棒组装制备热辐射屏蔽复合气凝胶及其性质研究 莫来石（3Al2O3·2SiO2）作为氧化铝基陶瓷的一种，具有优异的热稳定性和化学稳定性，同时作为复合氧化物，莫来石相比于单一组分的氧化铝具有更好的抗烧结特性而广泛应用于高温隔热领域。通过化学吹塑法制备二维的莫来石纳米片，以两步简单的溶液反应在莫来石纳米片表面生成TiO2纳米棒阵列。TiO2具有优异的反射能力、热稳定性和强大的宽带吸收能力，作为红外屏蔽剂降低材料的红外透过率进而抑制高温下的辐射传热。将这种设计制备的莫来石纳米片/TiO2纳米棒作为组装单元，构筑三维多孔复合气凝胶材料，同时通过添加适量的莫来石纤维来调控体系中TiO2的含量，优选出性质最佳的MS/TiO2纳米棒/SiO2复合气凝胶MT-40。MT-40经1500 ℃煅烧30 min后线收缩率仅为2％,且在1000 ℃时测得的热导率为0.118W m-1·K-1,表明具有较好的耐温性和高温隔热性质。 3.α-Al2O3/莫来石晶须复合气凝胶材料的DIW 3D打印制备及其性质研究 以稳定相的α-Al2O3纳米颗粒作为结构单元，添加单相莫来石溶胶作为高温黏合剂和晶须原料来源，并以纳米WO3作为莫来石晶须催化剂，通过调控陶瓷墨水的流变学特性实现DIW 3D打印，制备出结构可控的α-Al2O3/莫来石晶须复合气凝胶。气凝胶中的莫来石晶须直径小于100 nm,长度大于1 μm,具有较大的长径比，一维晶须可形成更有效地搭接提高材料的结构强度。稳定相的α-Al2O3纳米颗粒作为组装单元构筑三维多孔材料可有效避免相变导致的结构坍塌，起到稳定骨架的作用，同时莫来石晶须作为一种性能优异的单晶材料，具有极佳的抗氧化性、热稳定性以及优异的结构强度，在实际高温应用中可作为结构支撑，α-Al2O3纳米颗粒和体系中的流变调控剂（二氧化硅气凝胶粉）反应生成莫来石来耗散高温能量，这使得所制备的气凝胶复合材料具有极好的耐温性质，即使在经过1500 ℃煅烧后线收缩率仅为1％。α-Al2O3纳米颗粒和莫来石晶须共同组成的微观孔隙，使得所制备的气凝胶复合材料具有较好的隔热特性。
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