定 價(jià):80 元
叢書(shū)名:先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷纖維與復(fù)合材料叢書(shū)
- 作者:馮堅(jiān)等著
- 出版時(shí)間:2016/1/1
- ISBN:9787030503039
- 出 版 社:科學(xué)出版社
- 中圖法分類(lèi):TB34
- 頁(yè)碼:206
- 紙張:膠版紙
- 版次:1
- 開(kāi)本:16K
隔熱材料是對(duì)熱流具有顯著阻抗性的材料或材料復(fù)合體。高性能隔熱材料的研制和開(kāi)發(fā)是解決能源緊缺的有效措施之一,更是解決新型航天飛行器和導(dǎo)彈高效熱防護(hù)難題的關(guān)鍵,無(wú)論對(duì)于民用還是軍用都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
氣凝膠高效隔熱材料是目前高性能隔熱材料研究的主要方向,《先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷纖維與復(fù)合材料叢書(shū):氣凝膠高效隔熱材料》深入總結(jié)了作者十多年來(lái)在氣凝膠高效隔熱材料領(lǐng)域的研究成果,系統(tǒng)介紹了纖維增強(qiáng)Si02、Al203-Si02.SiCO、炭氣凝膠隔熱復(fù)合材料及聚酰亞胺氣凝膠隔熱材料的制備工藝,結(jié)構(gòu)和性能表征,構(gòu)件成型,加工及應(yīng)用等。
《先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷纖維與復(fù)合材料叢書(shū):氣凝膠高效隔熱材料》可為從事氣凝膠隔熱保溫相關(guān)領(lǐng)域的高校師生,氣凝膠保溫材料研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)相關(guān)人員,以及從事航天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)、武器裝備和民用隔熱保溫領(lǐng)域設(shè)計(jì)應(yīng)用的相關(guān)人員提供可靠的參考資料。
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新型航天飛行器和導(dǎo)彈的研制和發(fā)展,對(duì)國(guó)家的國(guó)防安全具有重要的戰(zhàn)略意義。與傳統(tǒng)的飛行器和導(dǎo)彈相比,臨近空間新型高速飛行器和導(dǎo)彈的飛行速度更高,飛行時(shí)間更長(zhǎng),飛行器和彈體表面的氣動(dòng)加熱溫度更高,加熱時(shí)間更長(zhǎng),累計(jì)氣動(dòng)加熱量更加嚴(yán)酷,承受的熱環(huán)境更為惡劣。長(zhǎng)時(shí)高效熱防護(hù)已成為新型航天飛行器和導(dǎo)彈研制和發(fā)展中無(wú)法避免而又必須妥善解決的一個(gè)重大關(guān)鍵技術(shù)難題。因此,迫切需要研制和發(fā)展耐高溫、輕質(zhì)、力學(xué)性能良好的高效隔熱材料和結(jié)構(gòu)以支撐新型航天飛行器和導(dǎo)彈長(zhǎng)時(shí)高效熱防護(hù)系統(tǒng)技術(shù)的突破。另外,戰(zhàn)斗機(jī)、裝甲車(chē)輛、艦艇、魚(yú)雷等武器裝備也對(duì)高性能隔熱材料提出了迫切需求。
在民用方面,隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,全球能源的日益緊缺已成為世界性問(wèn)題,開(kāi)發(fā)新能源、提高現(xiàn)有能源利用率以及節(jié)約能源已引起了各國(guó)的高度重視。其中,采用新技術(shù)、新工藝開(kāi)發(fā)環(huán)境友好型的高效隔熱材料是節(jié)約能源最有效、最經(jīng)濟(jì)的措施之一。
傳統(tǒng)的陶瓷纖維隔熱氈、陶瓷纖維隔熱瓦等材料高溫?zé)釋?dǎo)率較高[如美國(guó)NASA研制的AETB-12陶瓷纖維隔熱瓦為800℃,熱導(dǎo)率為0.128W/(m·K)],已難以滿(mǎn)足軍用和民用領(lǐng)域更加苛刻的高性能要求。開(kāi)展耐高溫、輕質(zhì)及力學(xué)性能良好的高效隔熱材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
自1931年美國(guó)太平洋學(xué)院(CollegeofthePacific)的Kistler教授首次提出氣凝膠概念以來(lái),Si02氣凝膠由于其獨(dú)特的納米骨架顆粒和納米孔徑結(jié)構(gòu),已成為當(dāng)前室溫?zé)釋?dǎo)率最低的固體材料,但其強(qiáng)度低,對(duì)高溫紅外輻射傳熱透明,高溫?zé)釋?dǎo)率較高。因此,研制兼具高強(qiáng)韌和高溫低熱導(dǎo)率特點(diǎn)的高性能氣凝膠復(fù)合材料是國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者一直致力解決的技術(shù)難題。
國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)自2001年開(kāi)始從事氣凝膠隔熱材料研究,在國(guó)家自然科學(xué)基金、武器裝備預(yù)研基金和軍品配套科研項(xiàng)目等的長(zhǎng)期支持下,開(kāi)展的氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料研究,已從實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究和工藝探索階段進(jìn)入到工程化應(yīng)用階段。研制的Si02和Al203等氣凝膠復(fù)合材料具有高強(qiáng)韌、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、高效隔熱等特性,相關(guān)材料和構(gòu)件已廣泛應(yīng)用于我國(guó)新型航天飛行器和導(dǎo)彈熱防護(hù)系統(tǒng)中,為我國(guó)國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。
本書(shū)總結(jié)了作者十多年來(lái)在氣凝膠隔熱材料領(lǐng)域的研究成果,系統(tǒng)地介紹了纖維增強(qiáng)SiO2、Al2O3-SiO2、SiCO、炭氣凝膠隔熱復(fù)合材料及聚酰亞胺氣凝膠隔熱材料的制備工藝,結(jié)構(gòu)和性能,構(gòu)件成型、加工及應(yīng)用等。
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目 錄
第 1 章 氣凝膠簡(jiǎn)介 1
1.1 氣凝膠的發(fā)展歷程 1
1.2 氣凝膠及其復(fù)合材料的制備方法 2
1.2.1 氣凝膠的制備方法 2
1.2.2 氣凝膠復(fù)合材料的制備方法 8
1.3 氣凝膠的基本性質(zhì)及應(yīng)用 10
1.3.1 氣凝膠的基本性質(zhì) 10
1.3.2 氣凝膠的應(yīng)用 13
1.4 氣凝膠隔熱材料的發(fā)展趨勢(shì) 15
1.4.1 進(jìn)一步提高氣凝膠隔熱材料的耐高溫性能 15
1.4.2 進(jìn)一步提高氣凝膠隔熱材料的隔熱效果 16
1.4.3 極端環(huán)境下氣凝膠隔熱材料的性能與評(píng)估研究 17
1.4.4 氣凝膠隔熱材料的低成本制備技術(shù)研究 17
1.4.5 特種功能氣凝膠隔熱材料的研究 18
參考文獻(xiàn) 18
第 2 章 纖維增強(qiáng) Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料 24
2.1 Si O2氣凝膠 25
2.1.1 Si O2溶膠-凝膠的反應(yīng)過(guò)程 25
2.1.2 Si O2氣凝膠的制備工藝 26
2.1.3 Si O2氣凝膠的性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)控制 33
2.1.4 Si O2氣凝膠的耐溫性 37
2.2 Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料 41
2.2.1 Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的制備工藝 42
2.2.2 Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的隔熱性能 43
2.2.3 Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的力學(xué)性能 58
2.2.4 Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的耐溫性能 64
2.3 Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的疏水改性 71
2.3.1 疏水改性的反應(yīng)過(guò)程分析 72
2.3.2 疏水處理的反應(yīng)增重率 73
2.3.3 疏水處理對(duì) Si O2氣凝膠結(jié)構(gòu)的影響 76
2.3.4 Si O2氣凝膠及其復(fù)合材料的疏水性表征 80
參考文獻(xiàn) 82
第 3 章 纖維增強(qiáng) Al2O3-Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料 86
3.1 Al2O3-Si O2氣凝膠 86
3.1.1 Al2O3-Si O2溶膠-凝膠的反應(yīng)過(guò)程 86
3.1.2 Al2O3-Si O2氣凝膠的制備工藝 90
3.1.3 Al2O3-Si O2氣凝膠的耐溫性 98
3.2 Al2O3-Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料 102
3.2.1 Al2O3-Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的制備工藝 102
3.2.2 Al2O3-Si O2氣凝膠復(fù)合材料的隔熱性能 103
3.2.3 Al2O3-Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的力學(xué)性能 105
3.2.4 Al2O3-Si O2氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的耐溫性能 108
參考文獻(xiàn) 113
第 4 章 纖維增強(qiáng) Si CO 氣凝膠隔熱復(fù)合材料 115
4.1 Si CO 氣凝膠簡(jiǎn)介 115
4.1.1 Si CO 氣凝膠的結(jié)構(gòu) 115
4.1.2 Si CO 氣凝膠的性質(zhì) 118
4.2 Si CO 氣凝膠的制備、結(jié)構(gòu)和性能 119
4.2.1 Si CO 先驅(qū)體溶膠-凝膠的反應(yīng)過(guò)程 119
4.2.2 Si CO 氣凝膠的制備工藝 121
4.2.3 Si CO 氣凝膠的結(jié)構(gòu)和性能分析 131
4.3 Si CO 氣凝膠隔熱復(fù)合材料 138
4.3.1 Si CO 氣凝膠隔熱復(fù)合材料的制備工藝 138
4.3.2 Si CO 氣凝膠隔熱復(fù)合材料的隔熱性能 138
4.3.3 Si CO 氣凝膠隔熱復(fù)合材料的力學(xué)性能 140
4.3.4 Si CO 氣凝膠隔熱復(fù)合材料的耐溫性能 141
參考文獻(xiàn) 142
第 5 章 纖維增強(qiáng)炭氣凝膠隔熱復(fù)合材料 144
5.1 炭氣凝膠 144
5.1.1 炭氣凝膠的制備機(jī)理 144
5.1.2 炭氣凝膠的制備工藝過(guò)程 146
5.1.3 炭氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)控制 148
5.2 炭氣凝膠隔熱復(fù)合材料 155
5.2.1 炭氣凝膠隔熱復(fù)合材料的制備工藝 156
5.2.2 炭氣凝膠隔熱復(fù)合材料的隔熱性能 157
5.2.3 炭氣凝膠隔熱復(fù)合材料的力學(xué)性能 162
5.2.4 炭氣凝膠隔熱復(fù)合材料的耐高溫性能 169
參考文獻(xiàn) 170
第 6 章 聚酰亞胺氣凝膠隔熱材料 173
6.1 聚酰亞胺氣凝膠簡(jiǎn)介 174
6.1.1 線(xiàn)型結(jié)構(gòu)聚酰亞胺氣凝膠 174
6.1.2 交聯(lián)型聚酰亞胺氣凝膠 175
6.1.3 聚酰亞胺增強(qiáng) Si O2氣凝膠材料 179
6.1.4 聚酰亞胺增強(qiáng)黏土氣凝膠材料 179
6.2 聚酰亞胺氣凝膠的制備工藝 179
6.2.1 聚酰亞胺的合成方法 179
6.2.2 聚酰亞胺氣凝膠的合成工藝 181
6.3 聚酰亞胺氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu) 183
6.3.1 聚酰亞胺氣凝膠的微觀形貌 183
6.3.2 聚酰亞胺氣凝膠的孔結(jié)構(gòu) 183
6.4 聚酰亞胺氣凝膠的隔熱性能 185
6.4.1 溫度對(duì)聚酰亞胺氣凝膠熱導(dǎo)率的影響 186
6.4.2 環(huán)境氣氛對(duì)聚酰亞胺氣凝膠熱導(dǎo)率的影響 186
6.4.3 氣壓對(duì)聚酰亞胺氣凝膠熱導(dǎo)率的影響 187
6.5 聚酰亞胺氣凝膠的力學(xué)性能 188
6.5.1 聚酰亞胺氣凝膠的拉伸性能 188
6.5.2 聚酰亞胺氣凝膠的彎曲性能 188
6.5.3 聚酰亞胺氣凝膠的壓縮性能 190
6.6 聚酰亞胺氣凝膠的耐溫性能 190
參考文獻(xiàn) 192
第 7 章 氣凝膠隔熱復(fù)合材料的應(yīng)用研究 194
7.1 氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的構(gòu)件成型 195
7.2 氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料的構(gòu)件加工 196
7.2.1 切割 196
7.2.2 孔加工 197
7.2.3 數(shù)控加工 198
7.3 氣凝膠高效隔熱材料的應(yīng)用 200
7.3.1 在航天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)上的應(yīng)用 200
7.3.2 在導(dǎo)彈熱防護(hù)系統(tǒng)上的應(yīng)用 201
7.3.3 在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng)上的應(yīng)用 202
7.3.4 在軍用熱電池隔熱套上的應(yīng)用 202
參考文獻(xiàn) 203
附錄 205
《先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷纖維與復(fù)合材料叢書(shū):氣凝膠高效隔熱材料》:
4.高溫裂解
高溫裂解是以有機(jī)物為原料制備無(wú)機(jī)氣凝膠的關(guān)鍵工藝,其過(guò)程是利用反應(yīng)物在高溫條件下受熱發(fā)生斷鍵.重排而生成新結(jié)構(gòu),一般可分為3個(gè)階段,第1階段為未交聯(lián)有機(jī)小分子的逸出,這一階段發(fā)生在低溫區(qū)(400℃以下);第2階段為有機(jī)物無(wú)機(jī)化,得到無(wú)定形態(tài)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物,這個(gè)過(guò)程一般發(fā)生在1000℃左右,但不同的前驅(qū)體轉(zhuǎn)化溫度是不一致的;第3個(gè)階段為無(wú)定形態(tài)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物結(jié)晶化(>1200℃),一般高溫裂解過(guò)程在真空或者惰性氣氛下進(jìn)行,常用的惰性氣體有氬氣和氮?dú),C、SiCO等氣凝膠的制備通常需要通過(guò)高溫裂解過(guò)程。
1.2.2氣凝膠復(fù)合材料的制備方法
氣凝膠復(fù)合材料一般是指以陶瓷纖維、晶須、晶片或顆粒為增強(qiáng)體,氣凝膠為基體,通過(guò)適當(dāng)復(fù)合工藝制備性能可設(shè)計(jì)的一類(lèi)新型復(fù)合材料。氣凝膠復(fù)合材料通常針對(duì)隔熱保溫領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用,具有較好的力學(xué)性能、超低熱導(dǎo)率等特點(diǎn)。目前制備氣凝膠復(fù)合材料主要有凝膠整體成型和顆;旌铣尚偷确椒。
1.凝膠整體成型
將配制的溶膠直接與增強(qiáng)體或紅外遮光劑等混合,待混合體凝膠后經(jīng)超臨界干燥或常壓干燥得到氣凝膠復(fù)合材料,氣凝膠在復(fù)合材料中呈連續(xù)的整體塊狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)添加劑的形狀不同.具體的工藝過(guò)程也有所不同,主要的添加劑有顆粒、短纖維以及長(zhǎng)纖維等。
1)顆粒、短纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料
顆粒(或短纖維)增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料的具體工藝如下:制備溶膠過(guò)程中,添加適量的顆粒(或短纖維),加入少量表面活性劑作為分散劑進(jìn)行攪拌,使顆粒(或短纖維)均勻分散在溶膠體系中,待溶膠快凝膠時(shí)將其倒入模具中,經(jīng)快速凝膠、老化及干燥過(guò)程得到顆粒(或短纖維)增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料。
顆粒(或短纖維)增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料的制備關(guān)鍵是如何使顆粒(或短纖維)均勻分散在氣凝膠基體中,相互搭結(jié)并與周?chē)臍饽z基體牢固黏結(jié)。由于顆;蚨汤w維與氣凝膠的物理性質(zhì)(如表面張力、可潤(rùn)濕性、密度等)存在差異,使得顆;蚨汤w維難以均勻分散和牢固黏結(jié)。帶靜電表面的相互吸引也會(huì)使顆;蚨汤w維聚集成球或形成平行的束狀結(jié)構(gòu),在最終的產(chǎn)品中形成不均勻的團(tuán)塊,導(dǎo)致復(fù)合材料性能下降。常用的解決方法是加入分散劑,通過(guò)強(qiáng)力攪拌或超聲振蕩等方式使顆;蚨汤w維等均勻地分散在溶膠中,同時(shí)為防止顆粒或短纖維因密度差而沉淀,控制凝膠時(shí)間以及摻入顆;蚨汤w維的時(shí)間,使加入顆;蚨汤w維后的溶膠在適當(dāng)時(shí)間內(nèi)凝膠。
2)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料
長(zhǎng)纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料的工藝主要過(guò)程是,首先將纖維經(jīng)加工處理形成纖維預(yù)成型體,將制備好的溶膠浸漬纖維預(yù)成型體,再經(jīng)凝膠、老化和干燥得到氣凝膠復(fù)合材料。
長(zhǎng)纖維在材料中作為力學(xué)支撐,提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件的不同,長(zhǎng)纖維具有較強(qiáng)的選擇性,高溫應(yīng)用條件下可選擇無(wú)機(jī)纖維如玻璃纖維、礦物纖維等,低溫應(yīng)用條件下可以選擇有機(jī)纖維如聚氨酯纖維、尼龍纖維或天然植物纖維等。
消除纖維與纖維之間的接觸是長(zhǎng)纖維復(fù)合氣凝膠隔熱材料制備的關(guān)鍵。纖維與纖維之間接觸一方面會(huì)降低氣凝膠在材料中的分散性,影響氣凝膠與纖維之間的結(jié)合,降低材料的力學(xué)性能;另一方面,纖維與纖維之間的接觸會(huì)產(chǎn)生熱橋效應(yīng),增加材料的固相傳導(dǎo)。通過(guò)以下措施可改善纖維與氣凝膠之間的結(jié)合:①選擇與氣凝膠基體相容性好的纖維;②提高纖維的浸潤(rùn)性;③通過(guò)對(duì)纖維表面預(yù)處理,提高其與氣凝膠基體的結(jié)合強(qiáng)度;④精確控制溶膠.凝膠、浸漬、超臨界干燥等制備工藝參數(shù)。
……
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