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作为一种典型的纳米多孔材料,气凝胶以其独特的纳米网络结构和优越的性质,在航空航天隔热领域和建筑节能保温领域受到广泛关注。在隔热性能方面的卓越表现,使气凝胶成为未来最具潜力的隔热保温材料之一。目前,气凝胶的研究聚焦于新体系的开发和应用与传统体系性能及制备的优化和规模化应用。气凝胶的隔热性能与其孔结构密不可分,而网络结构中存在大量的大孔结构并未受到足够关注。大孔含量的降低使气凝胶的热导率进一步降低,隔热性能进一步提高。在充分认识到气凝胶材料大孔结构重要性的基础上,本研究创造性地提出了通过降低气凝胶结构中的大孔含量可以提高其隔热性能的研究思路,以及表征气凝胶大孔结构的方法。通过在气凝胶结构中添加纳米材料或者对已形成的网络结构进行结构控制,探索降低气凝胶结构中的大孔含量与提高气凝胶隔热性能的规律性,以及提高隔热性能的处理方法的可行性。本研究拓宽了气凝胶结构与隔热性能的研究思路,对气凝胶材料的研究以及开发应用具有开拓性的意义。本课题采用在溶胶-凝胶法制备气凝胶的过程中添加片状纳米材料氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)的方法,考察了不同添加量的GO对微观孔结构的影响,研究了大孔含量随着GO添加量的变化情况,以及大孔含量变化对隔热性能产生的影响。此外,考察了GO的引入对材料机械性能的作用。随着GO添加量的增加,气凝胶的大孔含量从63.05%下降到38.18%,密度从0.074 g/cm3上升到0.189 g/cm3。由于片状GO引入将网络空间分割成更多小的网络空间,大孔含量降低,小于空气平均自由程的孔尺寸的结构比例增加,气凝胶结构对气相热传导的限制作用增强,气凝胶的热导率从0.0090 W/(mK)降低到0.0075 W/(mK)。气凝胶的热导率并没有表现出随着大孔含量降低而持续下降,是由于GO添加量增加使固相热传导的贡献提高。此外,GO的添加增强了气凝胶的机械性能,压缩模量从0.238 MPa增加到0.394 MPa。为了增强界面相容性,避免尺寸差异造成界面相容问题而引入大孔,本文选择与气凝胶骨架颗粒尺寸相当的A1203纳米团簇作为添加剂。在气凝胶网络空间中引入纳米尺寸团簇后,密度从0.074g/cm3上升到0.304g/cm3,大孔含量从63.05%下降到23.12%。材料的热导率相比于纯气凝胶的热导率明显下降,最低值达到0.0074 W/(mK)。随着添加量的增加,气凝胶热导率逐渐升高是由于固相热传导的贡献增强,但仍然低于纯气凝胶的热导率(0.0090W/(mK))。这是由于A1203纳米团簇填补了网络骨架中的大孔结构,气相传递热量的受限制程度增加,气相热传导的下降抵消了部分升高的固相热传导。尽管密度急剧上升,添加0.1gA12O3后的气凝胶热导率(0.0097W/(mK))比纯气凝胶的热导率(0.0090 W/(mK))升高并不明显,这一点也说明了降低大孔含量对提高隔热性能的重要性。此外,材料的密度增加有助于气凝胶的机械性能的提升,这对于其在隔热领域应用具有现实意义。本研究创新地提出了对已形成网络结构的气凝胶进行水解液多次浸渍的方法。本文考察了不同浸渍次数对微观孔结构的影响,通过在已形成的网络结构中增加新的网络结构,增加网络交联密度,来降低气凝胶中的大孔含量。考察多次浸渍处理方法提高气凝胶隔热性能的可行性。浸渍处理改善了气凝胶孔结构,新生成的网络结构增加了网络交联密度,填补了部分结构中的孔,显著降低了结构中的大孔含量。随着浸渍次数增加,大孔含量从63.05%下降到18.76%,材料密度逐渐升高(0.074 g/cm3到0.218 g/cm3),气凝胶热导率并未随之升高,反而呈降低趋势。最低值为0.0081 W/(mK)。这说明了大孔含量降低,结构中低于空气平均自由程的孔尺寸的比例增多,增强了网络结构对气相热传导的限制作用,使气凝胶材料突破了仅仅通过低密度来获得高隔热性能的局限,对于气凝胶的应用具有推动作用。采用正硅酸乙酯为母液,对湿凝胶形成的结构老化处理。通过在已形成的湿凝胶网络结构中增加有效固含量,考察不同比例母液老化处理对气凝胶微观形貌和孔结构的影响。母液老化处理后,材料的大孔含量明显下降,从63.05%下降到38.00%。但这种大孔含量的下降主要源于孔结构的不均匀性填埋,材料可测的孔体积(从4.25 cm3/g到1.40cm3/g)和比表面积(837.4m2/g到313.6m2/g)明显下降可以说明这一点。气凝胶微观结构的均匀性下降,使结构对气相热传导的限制并不明显。同时,气凝胶的密度明显上升,从0.074 g/c1cm3升高到最大0.33 g/cm3,显著增强了结构的固相热传导。因此,材料的热导率显著升高,即从0.0090 W/(mK)增加到0.068 W/(mK)。研究表明母液老化处理在降低大孔含量的同时也损失了大量孔结构,显著增加了密度,固相热传导贡献明显升高。在降低气凝胶大孔含量改善隔热性能的同时要兼顾密度带来的影响。通常,热处理是一种用来考察材料热稳定性能的方法。本文创新地从调节网络结构的角度出发,探究温度处理引起的结构变化对降低材料大孔含量,提高隔热性能的影响作用。对气凝胶已形成的网络结构进行温度处理,考察不同温度处理条件对微观孔结构的影响,大孔含量变化对气凝胶热导率的影响。不同温度处理后,气凝胶的密度从0.074g/cm3增加到0.176g/cm3。在烧结温度(650oC)以下,对二氧化硅气凝胶进行适当的温度处理有利于改善其微观结构,大孔结构一定程度的收缩同时网络结构的均匀性增强,保持着较高的孔体积,材料的大孔含量从63.05%下降到35.83%。材料的热导率的从纯气凝胶的0.0090 W/(mK)小幅下降到温度处理后0.0080 W/(mK),并未随着气凝胶密度的增加而升高。在烧结温度以上处理气凝胶时,材料会发生烧结过程,孔结构受到结构性破坏,纳米结构特性减弱。虽然气凝胶的大孔含量继续降低到24.82%,但固体颗粒长大,骨架烧结熔并,孔结构塌陷消失明显,大大增强了固相热传导,使气凝胶的热导率明显上升,达到0.030 W/(mK)。因此,在烧结温度以下,对气凝胶进行适当的温度处理有助于改善隔热性能。