【摘 要】
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可重复使用高速飞行器对耐雨淋、低热导的可重复使用隔热材料提出了迫切需求。针对现有SiO2气凝胶隔热材料遇水开裂、隔热性能下降的问题,本文提出以水热辅助干燥工艺制备可重复使用SiO2气凝胶隔热复合材料,研究了溶胶粒径、溶胶固含量、纤维预制件密度和水热保温时间等对材料结构与性能的影响,确定了较优的制备工艺参数,模拟使用环境研究了材料在耐温和耐水方面的可重复使用性能。主要结论如下:通过水热辅助干燥工艺制
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可重复使用高速飞行器对耐雨淋、低热导的可重复使用隔热材料提出了迫切需求。针对现有SiO2气凝胶隔热材料遇水开裂、隔热性能下降的问题,本文提出以水热辅助干燥工艺制备可重复使用SiO2气凝胶隔热复合材料,研究了溶胶粒径、溶胶固含量、纤维预制件密度和水热保温时间等对材料结构与性能的影响,确定了较优的制备工艺参数,模拟使用环境研究了材料在耐温和耐水方面的可重复使用性能。主要结论如下:通过水热辅助干燥工艺制备出了SiO2气凝胶隔热复合材料,研究了材料制备过程中的结构变化。溶胶加入氨水后,颗粒间逐渐靠近结合;发生凝胶后,颗粒间连接程度迅速提高,初步呈现三维网络结构。随着老化时间的延长,颗粒间团聚程度越来越高,颗粒粒径也逐渐增大,当老化48 h时,平均粒径相比溶胶时增大了17.7%。通过调控溶胶粒径、固含量、纤维预制件密度和水热保温时间等工艺参数,研究了SiO2气凝胶隔热复合材料的制备工艺。随着溶胶粒径增大,SiO2气凝胶比表面积降低,骨架更加粗壮,复合材料常温热导率上升;随着溶胶固含量上升,复合材料热导率先升高后降低;随着纤维预制件密度增加,复合材料常温热导率先上升后下降;随着水热保温时间延长,SiO2气凝胶骨架颗粒熔合程度升高,复合材料力学性能得到提升,保温1 h时热导率相对较低。当溶胶粒径为5-10 nm,溶胶固含量为20 wt.%,纤维预制件密度为0.15 g?cm-3,水热保温时间1 h时,制备的SiO2气凝胶隔热复合材料具有较优的综合性能,复合材料密度为0.41 g?cm-3,常温热导率为0.07571 W?m-1?K-1,压缩强度为0.185 MPa(3%形变)。研究了SiO2气凝胶隔热复合材料的耐温和耐水可重复使用性能。随着热处理温度的提高,经800-900℃热处理1800 s后,材料微观结构几乎不发生改变,超过1000℃后,材料比表面积迅速下降,孔径明显减小,热导率显著上升,到1100℃处理后SiO2气凝胶比表面积仅剩48.98 m2?g-1,材料可短时应用到1000℃。经过1-5周期的750℃加热-泡水-烘干处理,SiO2气凝胶始终保持良好的骨架结构和孔径结构,比表面积和最可几孔径在5个周期处理后仍有129.09 m~2?g-1和53.49 nm;复合材料在5个周期处理后,密度与收缩率基本不变,在1000℃下的高温热导率仅为0.075 W?m-1?K-1,材料压缩强度仍有0.154 MPa(3%形变),保持了低热导和高强度,表现出良好的耐水性能。
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