TiO2和六鈦酸鉀晶須摻雜SiO2干凝膠的制備及隔熱性能研究.pdf

1、SiO2氣凝膠是一種由SiO2膠體粒子相互團(tuán)簇聚集形成的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料，由于在常溫下具有很低的密度和極低的熱導(dǎo)率，因此成為最具有開發(fā)潛力的一種超級絕熱材料。但是隨著使用環(huán)境溫度的升高，由于SiO2氣凝膠在高溫時(shí)對傳遞熱輻射能量的紅外電磁波具有穿透性，它的輻射熱導(dǎo)率會(huì)隨溫度升高而迅速增加，從而限制了其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用。本文針對SiO2氣凝膠對高溫環(huán)境下的紅外光具有高透過率的問題，選用了TiO2和六鈦酸鉀晶須兩種具有高紅外反射和吸收

2、性能的粉末材料作為遮光劑，采用溶膠－凝膠法和非超臨界干燥技術(shù)制備了遮光劑摻雜的SiO2干凝膠（通常由非超臨界干燥法制備的氣凝膠材料被成為干凝膠），并通過X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、高分辨透射電鏡(HRTEM)、傅立葉紅外光譜儀(FTIR)以及N2吸附－脫附等方法對摻雜后的SiO2干凝膠的組織性能和孔結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了分析，采用了分子力學(xué)模擬方法對摻雜后遮光劑粒子與SiO2干凝膠粒子的界面能進(jìn)行了模擬和計(jì)算，并通過將摻雜后的干凝膠

3、填充入蜂窩隔熱結(jié)構(gòu)中，采用表面瞬態(tài)加熱裝置對摻雜遮光劑的SiO2干凝膠與純SiO2干凝膠在高溫環(huán)境下的隔熱性能進(jìn)行了評價(jià)。
　　以正硅酸乙酯(TEOS)為硅源，無水乙醇為溶劑，鹽酸（0.2mol/L乙醇溶液）和氨水（2mol/L乙醇溶液）分別作為酸堿兩步法中的酸性和堿性催化劑，選用丙三醇(GLY)為化學(xué)干燥控制劑(DCCA)，制備TiO2和六鈦酸鉀晶須摻雜含量均為1％～8%（質(zhì)量比）的SiO2干凝膠材料。在制備過程中，TEOS:H

4、2O:無水乙醇=1:4:8；酸性水解條件為：pH=2、水解時(shí)間為15min、水解溫度為50℃；堿性聚合條件為：TEOS:NH3·H2O=1:0.036、凝膠時(shí)間<2min。
　　TiO2粉末摻雜的SiO2干凝膠是一種具有納米孔的非晶態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料，TiO2顆粒以物理形態(tài)包覆于SiO2網(wǎng)絡(luò)骨架中，在1000℃以內(nèi)，隨摻雜含量的增加，TiO2-SiO2干凝膠的孔徑分布逐漸變寬，摻雜量≤5%的TiO2-SiO2干凝膠均能夠具有>1000

5、m2/g較高的比表面積，平均孔徑分布為30～50nm。TiO2顆粒的摻入能夠有效的散射或吸收2～8μm波長區(qū)域內(nèi)的紅外電磁輻射，降低這一高溫能量主要集中區(qū)域的紅外透過率。
　　六鈦酸鉀(K2Ti6O13)晶須摻雜SiO2干凝膠在小于870℃時(shí)同樣是具有納米孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的非晶材料，其中1%質(zhì)量比摻雜的干凝膠具有最大的比表面積為843m2/g，相比于同質(zhì)量比摻雜的TiO2-SiO2干凝膠來說比表面積有所降低，且平均孔徑也有所減小，1%～

6、8%不同晶須摻雜量的SiO2干凝膠的平均孔徑均為20～30nm。六鈦酸鉀晶須的摻入能夠大大降低SiO2干凝膠的結(jié)晶溫度，使其在870℃就出現(xiàn)了多晶化現(xiàn)象。六鈦酸鉀晶須摻雜的SiO2干凝膠同樣可以有效的降低SiO2干凝膠在2～8μm波段內(nèi)的紅外輻射透過率。
　　采用分子模擬方法對TiO2和六鈦酸鉀晶須摻雜SiO2干凝膠的摻雜形態(tài)和界面能進(jìn)行了模擬和計(jì)算，結(jié)果表明：TiO2與SiO2界面能僅為0.601J/m2，說明TiO2顆粒與Si

7、O2干凝膠骨架間沒有的化學(xué)反應(yīng)結(jié)合，TiO2顆粒能夠穩(wěn)定地?fù)诫s于SiO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中；六鈦酸鉀晶須與SiO2的界面能為3.32J/m2，也屬于一種較弱的結(jié)合方式。但是與TiO2/SiO2界面不同的是，在模擬過程中，六鈦酸鉀晶須中有部分K+從其初始位置擴(kuò)散到干凝膠結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這種K+擴(kuò)散所導(dǎo)致的界面變形重構(gòu)，可能是使六鈦酸鉀晶須摻雜的SiO2干凝膠在較低溫度下就出現(xiàn)內(nèi)部分子重排，導(dǎo)致晶化的主要原因。
　　利用有限元分析方法對遮光劑摻雜S