耐高温炭气凝胶隔热材料微观结构控制及其固体、辐射传热机理研究

In all kinds of aerogels that ever known, carbon aerogel has the highest thermal stability, it can be stable at even higher than 2000 ℃, so it has great potential for using as high performance thermal insulation. At high temperature, the main heat transfer regime in carbon aerogels are solid and radiative conductions. However, these two heat transfer mechanisms are not clear now. In this work, series of carbon aerogels with tuned and different microstructures (pore size, particle size, etc.) will be prepared by controlling the preparing processes and parameters. The relationships between solid conduction, radiative conduction and the microstructure of carbon aerogel will be mainly studied, and the transfer mechanisms of energy carriers such as phonon and photon will be analyzed. In order to lower solid conduction, the new concept introduced here is enhancing phonon scattering effect by micropore derived from activation. After carbonization, the carbon aerogel is activated by carbon dioxide to increase the number of micropore, and to get a stronger phonon scattering effect, so that reducing the mean free path of phonon and lowering the solid thermal conductivity. This concept and the research detail mentioned above cannot be found in the open literature by now. This study has significant value in developing nanoscale heat transfer theory, obtaining a new kind of high temperature carbon aerogel thermal insulation with low thermal conductivity, and supporting the development of new high speed space vehicles.

炭气凝胶的耐温性高达2000℃以上，居所有种类气凝胶之首，是极有前景的高性能隔热材料。在高温下固体和辐射传热是炭气凝胶中最主要的传热方式，其传热机理目前尚不明确。本项目通过控制制备工艺条件获得不同微观结构（孔径、粒径等）的炭气凝胶，重点研究固体、辐射传热与其微观结构的关系规律，分析能量载子声子和光子在炭气凝胶中的传输机理；为减小炭气凝胶固体传热，首次提出活化微孔增强声子散射的新思想，在炭化工艺之后，采用二氧化碳活化方法增加炭气凝胶的微孔，实现对声子更强烈的散射作用，达到减小声子平均自由程，降低固态热导率的目的。以上研究思想和研究内容目前国内外均无报道。本项目的成功，不仅可丰富微纳米尺度传热学理论，还可获得低热导耐高温炭气凝胶隔热材料，支撑国家新型高速航天飞行器研制，具有重要理论和现实意义。

本项目采用水体系（以水为溶剂，间苯二酚和甲醛为反应单体，炭酸钠为催化剂），和醇体系（异丙醇为溶剂，间苯二酚和糠醛为反应单体，六次甲基四胺为催化剂）制备酚-醛溶胶，经凝胶，老化，超临界干燥，炭化等工艺，获得了密度、孔结构、比表面、粒径等微观结构可调的炭气凝胶材料，研究了工艺参数对炭气凝胶微观结构的影响规律，确定了制备隔热性能良好的炭气凝胶材料的工艺参数（I/R值为18~28，H/R为0.0075~0.015）。.首次提出采用二氧化碳气体活化来改善基体炭气凝胶内部的孔结构，从而增加对声子的散射来降炭气凝胶的固态热导率，确定了最佳的活化温度为900℃、活化时间为5小时、通气速率为92 ml/min，通过活化之后，炭气凝胶的固体热导率显著降低，降低率最高达55%。.测试了炭气凝胶的比消光系数，热扩散系数，热导率等物理参数，分析计算了不同密度炭气凝胶的固态、气态、辐射热导率及其总热导率。采用激光闪光法测试了炭气凝胶和碳泡沫在0.15MPa氩气下不同温度（高达2000℃）的热导率，在超高温2000 ℃下，炭气凝胶的总热导率(0.601 W m-1 K-1)只有碳泡沫(1.745 W m-1 K-1)的三分之一。.明晰了炭气凝胶的隔热机理，炭气凝胶的高表面积/体积比和珍珠链式纳米结构增加了颗粒间颈缩处的接触热阻，抑制了声子散射热传导；另外，炭气凝胶中的纳米颗粒的分布比碳泡沫更均匀，在相同厚度内，能量载子光子在炭气凝胶中被碳骨架结构吸收、再辐射、反射更多次，从而降低了光子热传导；此外炭气凝胶的比消光系数(146 m2 kg-1)大于碳泡沫(68 m2 kg-1)，因此，炭气凝胶具有很低的高温热导率。.通过对炭气凝胶材料的制备与隔热性能研究，炭气凝胶显示出在极端环境下作为隔热材料应用的潜力，为新型高速航天飞行器发展提供理论和技术基础。本研究对于丰富炭气凝胶材料的制备和活化理论以及深化气凝胶材料的高效隔热机理具有重要的学术价值，对耐高温、高性能隔热材料在新型航天飞行器及导弹上的应用具有重要现实意义。