編輯推薦：目前氧化鋁-氧化硅氣凝膠隔熱復合材料(liao)制(zhi)備工(gong)藝較(jiao)為復雜，高溫熱導率偏(pian)高，最(zui)高使用(yong)溫度不超過(guo)1300℃。本(ben)文通過(guo)簡化的工(gong)藝，制(zhi)備出了一種(zhong)使用(yong)溫度可達1500℃的高強韌低熱導氧(yang)化鋁(lv)-氧(yang)化硅氣(qi)凝(ning)膠隔熱復合材料(liao)，是耐高溫氣(qi)凝(ning)膠隔熱材料(liao)研究領域的重大突破。

氧(yang)(yang)化鋁(lv)-氧(yang)(yang)化硅(gui)(gui)氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)的(de)(de)低密度、耐(nai)高(gao)(gao)溫(wen)、低熱(re)(re)導(dao)(dao)特性(xing)(xing)(xing)使其(qi)在高(gao)(gao)溫(wen)隔熱(re)(re)保溫(wen)領域(yu)具有(you)廣闊的(de)(de)應(ying)用(yong)前景，阻礙其(qi)發(fa)展和應(ying)用(yong)的(de)(de)主要瓶頸在于脆性(xing)(xing)(xing)大、高(gao)(gao)溫(wen)熱(re)(re)導(dao)(dao)率較高(gao)(gao)、制(zhi)備(bei)工藝(yi)復(fu)(fu)雜(za)。2008年以(yi)來(lai)，研究人員以(yi)陶瓷纖(xian)(xian)維(wei)（石英纖(xian)(xian)維(wei)、莫來(lai)石纖(xian)(xian)維(wei)、氧(yang)(yang)化鋯纖(xian)(xian)維(wei)等）或硼酸鋁(lv)晶須(xu)與氧(yang)(yang)化鋁(lv)-氧(yang)(yang)化硅(gui)(gui)氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)進行(xing)復(fu)(fu)合(he)，顯著(zhu)提(ti)高(gao)(gao)了氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)的(de)(de)力學性(xing)(xing)(xing)能和高(gao)(gao)溫(wen)隔熱(re)(re)性(xing)(xing)(xing)能。然而(er)，目前報道的(de)(de)氧(yang)(yang)化鋁(lv)-氧(yang)(yang)化硅(gui)(gui)氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)隔熱(re)(re)復(fu)(fu)合(he)材料(liao)制(zhi)備(bei)過程(cheng)包括溶劑置換、凝(ning)膠(jiao)改性(xing)(xing)(xing)、纖(xian)(xian)維(wei)清(qing)洗或多孔骨架(jia)制(zhi)備(bei)等諸多步驟，制(zhi)備(bei)工藝(yi)仍較為(wei)復(fu)(fu)雜(za)；同(tong)時，材料(liao)高(gao)(gao)溫(wen)熱(re)(re)導(dao)(dao)率仍然偏(pian)高(gao)(gao)，且(qie)最高(gao)(gao)使用(yong)溫(wen)度不超過1300℃。

為此，國(guo)防科技大學馮(feng)堅團(tuan)隊提出了一(yi)種簡便的溶膠-浸漬-凝膠（SIG）和(he)超(chao)臨(lin)界干(gan)燥（SCFD）策略，開發(fa)出新型耐1500℃高強韌低熱導氧化(hua)鋁-氧化(hua)硅氣凝膠隔熱復合(he)材料。相(xiang)關論文(wen)以題為“Thermally insulating, fiber-reinforced alumina–silica aerogel composites with ultra-low shrinkage up to 1500 °C”發(fa)表在Chemical Engineering Journal上，論文(wen)第一(yi)作者為彭飛(fei)博士，姜勇剛副研究(jiu)(jiu)員和(he)馮(feng)堅研究(jiu)(jiu)員為論文(wen)的共同通訊作者。

該團隊以氧(yang)化(hua)鋁–氧(yang)化(hua)硅溶(rong)膠(jiao)直接(jie)浸(jin)漬莫來石(shi)纖維形成凝膠(jiao)/纖維復合體，然后(hou)經超臨界(jie)干燥和熱(re)處理(li)獲得了(le)(le)耐(nai)1500℃高(gao)強(qiang)韌低熱(re)導氧(yang)化(hua)鋁-氧(yang)化(hua)硅氣凝膠(jiao)隔熱(re)材料，制備過程摒棄了(le)(le)溶(rong)劑置換(huan)、凝膠(jiao)改性等傳統步驟(zou)，工藝(yi)過程大(da)為簡(jian)化(hua)（圖 1）。

圖1氧(yang)化鋁–氧(yang)化硅氣凝膠隔熱復合材(cai)料制備工藝流程(cheng)

氧化鋁–氧化硅氣凝膠隔熱復合材料表現出優異的耐高溫、高強韌特性。在空氣氣氛下，采用纖維密度為0.20-0.35g/cm3制備的復合材料經1200～1500℃熱處理2h后，均未發生變形和開裂現象，且1500℃熱處理后材料厚度收縮率最低可達0.9%（圖2）；低密度（<0.4g/cm3）的復合材料還具有良好的高強韌性能，材料壓縮應力高達0.31MPa（10%應變），彎曲強度達到0.82MPa，經重量為1.28噸的汽車碾壓后，仍保持完好（圖 3）。

圖2氧(yang)化鋁–氧(yang)化硅氣凝膠隔熱復合材料的(de)耐溫(wen)(wen)性能：經高溫(wen)(wen)處(chu)理(li)（2h）后(hou)的(de)外觀：(a)1200℃、(b) 1300℃、(c) 1400℃和(he)(d) 1500℃（纖維(wei)密度(du)(du)分別為(wei)0.15、0.20、0.25、0.30、0.35g/cm3）；高溫(wen)(wen)處(chu)理(li)后(hou)材料厚(hou)度(du)(du)收縮率隨(sui)(e)纖維(wei)密度(du)(du)和(he)(f)處(chu)理(li)溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)變化

圖(tu)3氧(yang)化鋁–氧(yang)化硅氣凝膠隔熱復合(he)材料(liao)的力(li)學性能：(a)壓縮(suo)(suo)應(ying)(ying)力(li)-應(ying)(ying)變曲(qu)線、(b)彎曲(qu)應(ying)(ying)力(li)-位移曲(qu)線、(c)拉(la)伸(shen)應(ying)(ying)力(li)-位移曲(qu)線；經(d)壓縮(suo)(suo)、(e)彎曲(qu)和(f)拉(la)伸(shen)強(qiang)度(du)測試前、后(hou)的外觀；(g)壓縮(suo)(suo)、彎曲(qu)和拉(la)伸(shen)強(qiang)度(du)隨纖(xian)維密度(du)的變化；(h)汽(qi)車(che)碾壓試驗

進一(yi)步的(de)室(shi)溫和高溫熱(re)導(dao)率測試結果表(biao)明(ming)（圖(tu)4），氧(yang)化(hua)鋁–氧(yang)化(hua)硅氣凝(ning)膠(jiao)隔熱(re)復合材(cai)料(liao)在室(shi)溫～1200℃時的(de)熱(re)導(dao)率顯(xian)著低(di)于(yu)同類材(cai)料(liao)，1200℃時最低(di)達到0.082W/(m·K)，比同類材(cai)料(liao)最低(di)值還(huan)優25%。這是因為介孔結構的(de)氧(yang)化(hua)鋁–氧(yang)化(hua)硅氣凝(ning)膠(jiao)能夠有(you)效抑制氣態熱(re)傳導(dao)，莫來(lai)石纖維能夠顯(xian)著遮擋高溫紅外輻射，兩者(zhe)的(de)協同作用(yong)賦(fu)予材(cai)料(liao)極低(di)的(de)熱(re)導(dao)率。

圖(tu)4氧(yang)化(hua)鋁(lv)–氧(yang)化(hua)硅氣凝膠隔熱(re)復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)的(de)熱(re)導率：(a)常溫(wen)熱(re)導率隨(sui)纖維(wei)密度(du)的(de)變化(hua)；(b)常溫(wen)熱(re)導率隨(sui)空(kong)氣壓(ya)力的(de)變化(hua)；高(gao)溫(wen)熱(re)導率隨(sui)(c)溫(wen)度(du)和(d)纖維(wei)密度(du)的(de)變化(hua)；(e)復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)的(de)傳熱(re)機制；(f)復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)熱(re)導率與同類材(cai)料(liao)的(de)對比

氧化(hua)鋁–氧化(hua)硅氣凝膠(jiao)隔(ge)熱(re)(re)復合材(cai)料(liao)表現出了優異的高溫(wen)隔(ge)熱(re)(re)性(xing)能，經(jing)1500℃單面加(jia)熱(re)(re)15min后，外觀和尺寸(cun)幾乎(hu)無變化(hua)，材(cai)料(liao)中的氣凝膠(jiao)仍(reng)然保持介孔結構和片葉狀形(xing)貌，化(hua)學(xue)組成亦變化(hua)很(hen)小；厚度為18mm的材(cai)料(liao)熱(re)(re)面和冷面溫(wen)度差(cha)高達1120℃（圖(tu)5）。該材(cai)料(liao)適用于(yu)1500℃有氧環境下(xia)高溫(wen)隔(ge)熱(re)(re)保溫(wen)領域應用。

圖5 石英燈單面(mian)加(jia)熱(re)(re)(re)試驗：加(jia)熱(re)(re)(re)后材料(liao)的(a)宏(hong)觀形(xing)貌和材料(liao)(b)冷(leng)面(mian)、（c）熱(re)(re)(re)面(mian)位置的微觀形(xing)貌；材料(liao)冷(leng)面(mian)、熱(re)(re)(re)面(mian)位置的(d)X射(she)線衍射(she)圖譜和(e)紅(hong)外吸收光譜；(f)熱(re)(re)(re)面(mian)溫(wen)度(du)和冷(leng)面(mian)溫(wen)升(sheng)曲線（冷(leng)面(mian)的實時溫(wen)度(du)和初(chu)始溫(wen)度(du)的差值）