勃姆石纤维增强二氧化硅气凝胶的制备及性能

doi:10.7503/cjcu20220483

摘要/Abstract

摘要：

以六水合氯化铝为铝源, 通过水热法制备勃姆石纤维; 以甲基三甲氧基硅烷和正硅酸乙酯为硅源共前驱体, 采用溶胶-凝胶法进而常压干燥制备了勃姆石纤维掺杂的二氧化硅复合气凝胶; 探究了勃姆石纤维的掺杂量对复合气凝胶性能的影响. 当勃姆石纤维的掺杂量(质量分数)为1%时, 气凝胶的机械性能最好, 能够承受17.1%的压缩应变, 最大压缩强度为1.12 MPa, 压缩模量高达2.57 MPa, 复合气凝胶在150 ℃仍然具有较低的导热系数(0.0670 W·m^?1·K^?1). 勃姆石纤维能够一定程度地抑制二氧化硅颗粒在高温下的烧结和相转变, 对二氧化硅气凝胶的耐高温性能有显著的提升作用, 复合气凝胶在1100 ℃高温热处理后, 仍能保持良好的隔热性能和较高的机械强度.

关键词: 二氧化硅气凝胶, 勃姆石纤维, 耐高温性能

Abstract:

Boehmite fibers were prepared using aluminum chloride hexahydrate as aluminum source by a hydrothermal method. Silica composite aerogels doped with boehmite fibers were then fabricated using methyltrimethoxysilane and tetraethoxysilane as silicon co-precursors after the sol-gel process and ambient pressure drying. The effect of the boehmite fiber content on the composite aerogel was studied. When the content（mass fraction） of boehmite fibers to silicon sol is 1%， the aerogel obtains the optimal mechanical properties， which can withstand 17.1% compressive strain， the maximum compressive strength is 1.12 MPa and the compressive modulus is as high as 2.57 MPa. The composite aerogels show low thermal conductivity of 0.0670 W·m^?1·K^?1 at 150 ℃. Moreover， it is found that the boehmite fiber can inhibit the sintering and phase transformation of silica particles at elevated temperature and thus enhance the high temperature resistance of silica aerogels. Accordingly， the silica-boehmite fiber composite aerogel can still maintain good thermal insulation performance and high mechanical strength at a high temperature of 1100 ℃.

Key words: Silica aerogel, Boehmite fiber, High temperature resistance

中图分类号:

O648

TrendMD:

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图/表 8

Fig.1 Photographs of SA(A), SBA?0.5(B), SBA?1(C) and SBA?2(D)

Fig.2 SEM images of SBA?0.5(A—C), SBA?1(D—F, J), SBA?2(G—I) and corresponding mapping images of Si(K), O(L), Al(M) of SBA?1

Fig.3 XRD patterns of boehmite, SA and SBA?1(A) and FTIR spectra of boehmite, SA and composite aerogels(B)

Fig.4 N2 adsorption?desorption isotherms and BJH pore?size distributions(insets) of SA(A), SBA?0.5(B), SBA?1(C) and SBA?2(D)

Table 1 Physical properties of silica aerogel and composite aerogels

Sample	Bulk density/（g·cm^?3）	Volume shrinkage（%）	Surface area/（m²·g^?1）	Total pore volume/（cm³·g^?1）	Average pore size/nm	Young’s modulus/MPa
SA	0.477	83.3	904	0.642	3.60	1.93
SBA?0.5	0.492	83.3	1005	0.631	2.97	1.16
SBA?1	0.510	81.6	940	0.668	3.55	2.57
SBA?2	0.503	79.8	934	0.770	3.52	0.275

Fig.5 Thermal conductivity of composite aerogels varies with temperature

Fig.6 Stress?strain curves of the composite silica aerogels

Fig.7 XRD pattern of SA, H?SA(A) and SBA?1, H?SBA?X(B), FTIR spectra of SA and composite aerogels before and after annealing(C), contact angles of H?SBA?X(D), thermal conductivity of H?SBA?1100 varies with temperature(E), stress?strain curves of H?SBA?1100(F)Inset of （F） shows that the aerogel remains intact after compression.

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