具有抗红外特性的3D大变形SiO?基陶瓷气凝胶，用于高温隔热

《Journal of Alloys and Compounds》：3D Large Deformable SiO 2-based Ceramic Aerogel with Anti-infrared property for High-temperature Thermal Insulation

SiO?陶瓷气凝胶通过引入高红外反射性PTW和表面TiO?涂层，同步实现80%以上抗拉变形与550℃高温红外屏蔽效能，突破传统脆性材料局限。

　　

作者：史宝路 | 徐宝生 | 王新桥 | 周志良 | 张燕 | 田旭轩

北京工业大学先进结构技术研究所，北京，100081，中国

摘要

基于SiO?的陶瓷气凝胶因其轻质和优异的热稳定性而被广泛用于热防护系统。然而，它们固有的脆性和相对较高的红外透明度严重限制了其在极端服役条件下的应用。在这项研究中，首次实现了抗红外性能与三维变形能力的协同整合，并设计并制备了一种具有折纸结构的抗红外陶瓷气凝胶超结构（抗红外CAM）。为了解决SiO?的红外透明性问题，将具有高红外反射性能的钛酸钾 whisker（PTW）引入SiO?气凝胶中，同时在纤维表面沉积TiO?涂层以构建双重红外屏障系统。结果表明，制备的抗红外CAM表现出超过80%的单轴拉伸应变和优异的循环拉伸疲劳抗性。值得注意的是，PTW的引入增强了抗红外能力，使得抗红外CAM具备了高效的高温隔热性能。尽管TiO?涂层纤维作为结构框架降低了拉伸应变，但提高了压缩强度。因此，抗红外CAM突破了传统陶瓷气凝胶的脆性和高红外透明度的限制，显著扩展了其在恶劣和复杂极端环境中的应用范围。

引言

在航空航天工程等极端环境防护领域，高温热防护系统的性能直接决定了设备的运行效率和安全。基于SiO?的陶瓷气凝胶由于其出色的高温稳定性和极低的热导率，已成为隔热材料的核心候选者之一。然而，传统陶瓷气凝胶的固有脆性限制了其在需要三维大变形的恶劣环境中的应用，例如变形飞机和充气再入减速器。此外，SiO?本身具有高红外透明度，这会降低其在高温条件下的隔热性能。这些问题进一步加剧了平衡综合性能的挑战，从而成为限制基于SiO?的陶瓷气凝胶在高温极端环境中实际应用的关键技术瓶颈。

在我们之前的工作中，我们将层组装的柔性SiO?纤维膜与刚性SiO?气凝胶结合，并率先引入了Miura-Ori结构，成功开发出具有三维大变形能力的陶瓷气凝胶复合超结构（CAM）。与传统陶瓷气凝胶相比，制备的CAM表现出超高的拉伸应变，解决了高温隔热与大变形之间的固有矛盾。然而，CAM中使用的SiO?纤维和气凝胶都具有高红外透明度，导致热量容易穿透材料，从而在极高温度条件下隔热性能受限。根据Stefan-Boltzmann定律，热辐射能量与绝对温度的四次方成正比，这突显了高温下热辐射的主导作用。此外，Wien位移定律表明，当温差超过373 K时，热辐射的峰值波长会移至8 μm以下，主要位于红外光谱范围内。因此，为了提高CAM的隔热性能，必须改善基于SiO?的组件的抗红外性能。 根据辐射传热公式，热辐射与消光系数呈反比关系。因此，提高消光系数成为增强高温隔热性能的主要策略。相关方法可分为两类：首先，在气凝胶的溶胶-凝胶制备阶段，直接将具有强红外散射和吸收能力的遮光剂掺入气凝胶结构中；为了提高复合气凝胶的界面相容性，研究人员还使用硅烷偶联剂对遮光剂表面进行预处理。其次，在纤维表面沉积陶瓷涂层以构建反射层，从而阻断辐射热传递路径并降低整体热导率。为了有效提高CAM的高温隔热性能，可以同时增强SiO?气凝胶和SiO?纤维的辐射屏蔽效果。这种双重改性策略能够协调调节SiO?气凝胶的掺杂、SiO?纤维涂层和大变形结构设计，从而满足抗红外屏蔽和机械性能的要求。具有高热稳定性、低热导率和强红外散射能力的钛酸钾 whisker（PTW）被用作遮光剂并掺入SiO?气凝胶中。同时，涂有TiO?的SiO?纤维利用TiO?在2-6 μm波段的强红外吸收特性来阻断热量传递。 在这项研究中，为了开发具有抗红外性能和大变形能力的基于SiO?的陶瓷气凝胶，我们通过将PTW作为遮光剂掺入SiO?气凝胶并在SiO?纤维表面沉积TiO?涂层来制备抗红外CAM。进行了单轴拉伸和压缩测试以研究机械性能的变化，并详细评估了抗红外CAM的热稳定性和高温隔热性能。结果表明，抗红外CAM能够实现超过80%的单轴拉伸应变。在高温条件下，抗红外CAM的最大背温降低约550℃。值得注意的是，TiO?涂层虽然略微降低了拉伸性能，但有效提高了抗红外CAM的压缩强度。总之，抗红外CAM结合了高效的高温隔热和三维大变形能力，进一步拓宽了基于SiO?的陶瓷气凝胶在高温和复杂变形领域的应用前景。

材料

SiO?纤维（99.95%，平均直径3 μm），甲醇（MeOH，AR，Aladdin），乙醇（99.95%，Aladdin），四甲氧基硅烷（TMOS，98%，Aladdin），氨水（NH?OH，25%-28%，Macklin），去离子水（Macklin），四丁基钛酸盐（TBOT，AR，Aladdin），乙酸（99.8%，Aladdin）和钛酸钾 whisker（PTW，95 wt.%，直径0.2-0.5 μm，长度1-50 μm）。

抗红外CAM的合成

PTW掺杂SiO?溶胶的制备：首先，将TMOS和MeOH混合并搅拌30分钟，然后向SiO?溶胶中加入预定量的PTW。

抗红外CAM的制备

基于我们之前的工作，我们成功制备了抗红外CAM（图1a）。首先，逐层组装SiO?纤维膜。对于纤维@TiO?，制备过程包括NH?OH预处理、TiO?溶胶浸渍和高温烧结。具体来说，NH?OH用作改性溶液，以增加纤维表面的负电荷，从而促进带正电荷的TiO?溶胶的静电吸附。随后，使用可折叠的PVC基底...

结论

总之，我们将折纸结构设计融入到抗红外CAM的制备中。为了解决SiO?基材料固有的高红外透明性问题，将具有低热导率和强红外反射性的PTW掺入SiO?气凝胶中。此外，在最佳PTW掺杂浓度（10 wt%）下，在SiO?纤维框架上沉积TiO?涂层以进行性能对比分析。制备的抗红外CAM表现出...

CRediT作者贡献声明

田旭轩：方法论，研究。 周志良：方法论，研究。 张燕：方法论，研究。 王新桥：可视化，方法论，研究。 史宝路：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，方法论，研究，概念化。 徐宝生：写作 – 审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目协调，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号52472063）的支持。