2016年11月11日 星期五 09:15:33
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纳米纤维隔热材料:在航空航天领域大有可为!

发表时间:2019/1/29

航空航天用飞行器在飞行时需承受长时间气动加热,基体表面将产生高温,为了保证飞行器的主体结构及内部仪器设备的安全,须使用高效隔热材料阻止外部热流向内部扩散。同时,轻质高效的隔热防护系统对降低飞行器载荷、延长飞行距离等均具有重要的意义。纳米纤维材料具有孔径小、孔隙率高等优点,是一种理想的轻质高效隔热材料。本文主要介绍当前二维纳米纤维膜、三维纳米纤维气凝胶隔热材料的最新研究进展。



二维纳米纤维膜隔热材料

导弹电池隔热套、发动机等狭小空间需要厚度较小但隔热性能优异的材料,二维纳米纤维膜材料由于纤维直径小、堆积厚度可控(一般小于100 μm)、孔隙率高等优点可用于狭小空间隔热。纳米纤维膜隔热材料按组成可分为高分子纳米纤维膜、碳纳米纤维膜和陶瓷纳米纤维膜。

高分子纳米纤维,如聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维纤维膜,由于具有更高的孔隙率和曲折网孔通道,从而使空气分子在材料内部的传输路径变长,热量在传播过程中损耗,因而可降低材料的导热系数。为了进一步降低材料的导热系数,有学者通过浸渍改性技术将SiO2纳米颗粒包覆于PVDF纳米纤维表面,进一步减小纤维膜孔径,降低热对流。然而,该材料在高温环境中结构易被破坏,难以满足应用需求。



碳纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高、化学稳定性好、比强度高等优点,在电子、能源、航空航天等领域具有广泛的应用前景。碳纳米纤维膜材料随着石墨化程度的提升,耐高温性能逐渐提升,然而其隔热性能也将大幅下降,因此难以满足耐高温与隔热性能同步提升的需求。



陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、绝缘性好等优点,在高温隔热、吸音、催化等领域具有广泛的应用。然而,现有大部分陶瓷纳米纤维具有脆性大、力学性能差、不耐弯折等缺陷,限制了其实际使用。为了克服这一缺点,有学者通过调整纺丝溶液性能及工艺参数,制备了具有无定形结构、柔性良好的SiO2纳米纤维膜。同时,还可以通过浸渍改性方法在纤维间引入SiO2气凝胶纳米颗粒,构筑SiO2纳米颗粒/纳米纤维复合材料,提升SiO2纳米纤维膜的隔热性能。



三维纳米纤维气凝胶隔热材料

二维纳米纤维虽然具有良好的隔热性能,但其在厚度方向难以实现有效增加(>1 cm),这严重限制了其在大功率发动机隔热、舱壁防火隔热等领域的应用。与二维纳米纤维膜相比,三维纳米纤维气凝胶材料具有尺寸可控、孔隙率高、孔隙曲折程度高等优点,因而在隔热、保暖、吸音等领域均具有广阔的应用前景。目前,常见的纳米纤维气凝胶隔热材料主要包括高分子纳米纤维气凝胶和陶瓷纳米纤维气凝胶两种。


陶瓷纳米纤维气凝胶

陶瓷气凝胶材料具有优异的耐高温、耐腐蚀及隔热性能,是航空航天飞行器热防护的主要材料之一。现在使用的气凝胶隔热材料主要为陶瓷纤维增强的SiO2纳米颗粒气凝胶,由于纳米颗粒与陶瓷纤维间相互作用弱,导致材料在使用过程中纳米颗粒易脱落,从而使材料的结构稳定性和隔热性能大幅下降。为了解决上述问题,有学者以柔性陶瓷纳米纤维为构筑基元,利用原创的三维纤维网络重构方法,构筑了超轻质、超弹性陶瓷纳米纤维气凝胶材料。


陶瓷纳米纤维气凝胶制备过程示意图


该气凝胶材料具有类似蜂巢的网孔结构,每个网孔中纤维相互缠结黏结,形成稳定的纤维网络,赋予了气凝胶良好的结构稳定性。其在大形变(80%应变)压缩下仍能快速回弹,经500次压缩循环后其塑性形变仅为12%,优于现有的陶瓷气凝胶材料。同时,材料在酒精灯火焰(约600 ℃)及丁烷喷灯(约1100 ℃)下压缩50%后仍能回复,展现出了优异的高温压缩回弹性能。


陶瓷纳米纤维气凝胶在酒精灯下的压缩照片


陶瓷纳米纤维气凝胶在丁烷喷灯火焰下的压缩照片


放有花瓣的不同材料在350 ℃热台上10 min后的照片


高分子纳米纤维气凝胶

针对现有气凝胶材料力学性能差、脆性大的问题。有学者用具有高弹性模量、高强度、低密度的纤维素纳米晶为构筑基元,通过凝胶、超临界干燥方法制备了具有良好透明性、力学性能的纤维素纳米晶气凝胶,可弯曲至180°而不发生破坏,同时其在大形变(80%)下压缩后仍能回复且最大应力大于200 kPa。此外,纤维素纳米晶还展现出了优异的隔热性能。



更多内容,参见《纺织导报》2018年产业用纺织品专刊“纳米纤维隔热材料在航空航天领域的应用进展”一文。