高气孔率纳米孔结构的可控自组装与高温绝热材料研究

In order to fulfill the urgent needs of thermal insulation materials (>1500℃) for hypersonic vehicle and solve the problem of poor high temperature stability of conventional aerogel, this project proposes a novel method in building high porosity and homogeneous nano-porous structure. In this method, nano α-Al2O3 powder is used as raw material and the self-assembly process is achieved through controlling heterogeneously charged condition of colloidal particles, the condition of dispersing medium as well as enzyme catalytic reaction to trigger a uniform change in PH of the medium. Based on the finite element analysis, the structure, interaction and influence factors of the electric double layer of the heterogeneously charged colloid are revealed. The researches have significant meaning to both colloid theory and colloidal forming technics of ceramics. The anti-sintering of the fabricated nano porous structure can be improved by a passivating thermal treatment of low temperature surface diffusion and doping inert second phases. On the basis of the calculation and analysis of high temperature heat transfer model including heat conduction and heat radiation in porous materials, the influence of doping Al2O3@ZnO:Al core-shell structured nanoparticles with high infrared reflection and SiC, NiO nanoparticles with high infrared emissivity on radiation heat insulation performance for high porous ceramics is well studied, and a high temperature insulation design criteria is proposed. This work has also general meaning for the preparation of other nano porous ceramics.

为了满足高超声速飞行器对高温（1500℃以上）绝热材料的迫切需求，解决传统气凝胶高温稳定性差的难题。本项目提出以纳米α-Al2O3为原料，通过控制纳米颗粒表面非均匀带电及介质条件，并通过酶催化反应均匀调控介质pH变化，实现颗粒的可控自组装，构建高气孔率均匀纳米孔结构的方法。通过有限元分析，揭示非均匀表面带电胶体的双电层结构、相互作用及其影响因素。这些工作无论是胶体学理论上还是胶体成型技术上都具有很高的价值；采用低温表面扩散以及惰性掺杂的方法对纳米孔结构进行烧结钝化处理，提高该绝热材料的抗高温烧结性；在考虑导热及辐射的多孔材料高温传热模型计算分析的基础上，研究高红外反射Al2O3@ZnO:Al核壳结构颗粒以及高红外发射率SiC、NiO纳米颗粒掺杂对高气孔率多孔陶瓷高温辐射隔热性能的影响规律，提出多孔高温绝热材料设计准则。该项目对其他纳米多孔陶瓷制备也具有广泛的意义。

为了满足高超声速飞行器对高温（1500℃以上）绝热材料的迫切需求，传统气凝胶高温稳定性差是亟待解决的难题。本项目通过有限元分析，揭示非均匀表面带电胶体的双电层结构、相互作用及其影响因素。以纳米α-Al2O3为原料，通过尿素水解反应均匀调控介质pH及离子浓度变化，实现颗粒的可控自组装，构建高气孔率均匀纳米孔结构。这些工作无论是胶体学理论上还是胶体成型技术上都具有很高的价值；通过干燥过程控制、冷冻干燥等方法，解决了低固含量凝胶结构干燥收缩的难题，成功实现高气孔率纳米颗粒的成型体。采用低温表面扩散以及惰性掺杂的方法对纳米孔结构进行烧结钝化处理，提高该绝热材料的抗高温烧结性；采用低热导率的氧化铝陶瓷颗粒和高发射率的碳化硅颗粒相结合，并进行结构控制，为解决高气孔率多孔材料的辐射隔热问题提供了一种新的思路。. 在超级绝热气凝胶材料改性方面，建立了对气凝胶层级孔结构的表征手段，实现了大孔量化表征；以催化剂氨水为结构调控剂，实现了MTMS基二氧化硅气凝胶孔径在10 nm~40 nm间的定向调控。同时，对于孔径较大的气凝胶，实现了粉体材料的快速、无污染制备，为气凝胶粉体材料的广泛应用提供了保障；提出了可控收缩老化方法，实现了MTMS基二氧化硅气凝胶颗粒及孔结构的优化，并成功实现高弹性、透明气凝胶材料的常压制备；创新性地提出种子快速生长法，实现了同密度下二氧化硅气凝胶精细结构的调控；在溶胶—凝胶过程中引入不同性质的气相二氧化硅对凝胶结构进行调控，疏水型气相二氧化硅粉体能够较为均匀的嵌入在凝胶骨架当中而不会与之产生化学交联，从而在热量的固相传输路径当中引入了大量的“接触热阻”，获得了优异的隔热性能。. 该项目在耐高温纳米多孔隔热材料及气凝胶孔结构控制及制备技术上，具有显著突破，为高温隔热材料的应用，特别是在航空航天隔热材料领域中的应用，打下良好基础，具有重要的指导意义。