SiC纳米纤维气凝胶的制备、结构调控与性能研究

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SiC气凝胶具有低密度、高孔隙率、低导热系数、耐高温和抗氧化等特性,在高温隔热、催化剂载体、过滤吸附和电磁波吸收等领域有广泛的应用前景。然而,传统SiC纳米颗粒气凝胶的脆性问题,限制了其作为高温隔热材料的应用范围。以SiC纳米纤维构建气凝胶,并在交织的纳米纤维间形成Si O2粘结点,使气凝胶能够获得压缩回弹性能,可有效地改善气凝胶的力学性能,因此受到了研究者的关注。本文采用碳热还原法制备了SiC纳米纤维气凝胶,系统地研究了SiC纳米纤维气凝胶的结构与性能。并通过压缩-氧化粘结和引入片状蒙脱土烧结等方法调控气凝胶的结构,以改善气凝胶的性能。主要研究内容如下:(1)对短切碳纤维进行机械开松,获得蓬松的碳纤维,再通过挤压蓬松的碳纤维制备出不同密度的碳纤维预制体。通过碳热还原反应制备了不同密度的大尺寸(16 cm×10 cm×10 cm)SiC纳米纤维气凝胶。研究表明,气凝胶的密度随着预制体密度的增加逐渐增大,不同密度的气凝胶具有不同的形貌结构特点。当气凝胶的密度为5.53 mg/cm~3时,SiC纳米纤维的直径主要分布在30nm~80 nm、长度可达0.5 cm。SiC纳米纤维表面的氧化层厚度约为2 nm~3 nm。随着气凝胶密度的增加,纤维的氧化层厚度增加、长度变短。当气凝胶的密度为40.37 mg/cm~3时,SiC纳米纤维的直径主要分布在110 nm、长度可达150μm、氧化层厚度可达20 nm。(2)对碳热还原法制备SiC纳米纤维气凝胶的形成机理进行了分析。结果表明,碳热还原反应生成的Si O与CO气体渗入碳纤维预制体孔隙,经过气-固反应的成核-生长过程获得超长SiC纳米纤维。同时,过饱和的Si O气体会导致SiC纳米纤维表面形成Si O2包覆层,交织的纳米纤维由于表面Si O2的熔接形成粘结点。因此,构筑了由Si O2粘结的SiC纳米纤维气凝胶。(3)对气凝胶的力学性能进行了研究。随着气凝胶密度的增加,气凝胶的压缩应力逐渐增大,气凝胶的压缩回复性能逐渐下降。当气凝胶的密度为5.53mg/cm~3时,气凝胶在20次40%压缩应变后的塑性形变约为10%,在单次80%压缩应变下的应力为3.75 k Pa,塑性形变为21%,结果表明气凝胶具有一定的压缩回复性能。当气凝胶的密度为40.37 mg/cm~3时,气凝胶在压缩后发生结构坍塌,难以回复。SiC纳米纤维气凝胶由于气凝胶的多孔结构和SiC的亲水性使气凝胶具有良好的隔热性能和优异的吸水性能。当气凝胶的密度为5.53 mg/cm~3时,气凝胶的导热系数和吸水能力分别为0.023 W/m·K和196 g/g~201 g/g。随着气凝胶密度的增加,气凝胶的传热路径和孔隙减少,导致气凝胶的隔热性能和吸水能力逐渐降低。当气凝胶的密度为40.37 mg/cm~3时,气凝胶的导热系数和吸水能力分别为0.058 W/m·K和10 g/g。(4)采用压缩-氧化粘结法对SiC纳米纤维气凝胶进行微结构调控,提高气凝胶的密度,使压缩的交织纤维形成更多的Si O2粘结点,进而提高气凝胶的压缩回复性能。当气凝胶的密度为10 mg/cm~3时,气凝胶的压缩应力可达到12k Pa,并且能够在1~10次压缩循环内保持稳定的压缩应力,在100次压缩循环后气凝胶的塑性形变为13%;随着气凝胶密度的增加,气凝胶的传热路径减小,导致气凝胶的隔热效率逐渐下降,当气凝胶的密度为7.5 mg/cm~3和30mg/cm~3时,气凝胶的导热系数分别为0.027 W/m·K和0.046 W/m·K;压缩-氧化粘结法可明显提高气凝胶的循环吸水性能,在8次循环吸水中气凝胶能够保持稳定的吸水能力。采用真空抽滤法对SiC纳米纤维/蒙脱土悬浮液浆料进行组装,将片状蒙脱土引入SiC纳米纤维三维交织网络结构中,经马弗炉800℃处理,使蒙脱土在纳米纤维间构筑封闭孔结构,以提升气凝胶的隔热性能。当蒙脱土的含量为20 wt%时,气凝胶的导热系数从0.059 W/m·K下降至0.053W/m·K,隔热效率提升10.17%,结果表明闭孔结构可在一定程度上改善气凝胶的隔热性能。
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