基本信息
- 项目名称：
- 纳米多孔二氧化硅气凝胶高效隔热复合材料
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 国际上首次采用高体积分数陶瓷纤维增强纳米多孔气凝胶，并在国内首次以钛溶胶形式引入二氧化钛红外遮光剂，发明制备了纳米多孔二氧化硅气凝胶高效隔热复合材料。材料综合性能处于国内领先水平，高温热导率、力学性能指标达到国际领先水平。 不同于传统隔热材料的微米孔结构，气凝胶复合材料为纳米孔结构(50nm)，由于纳米尺寸效应而具有超级隔热性能(热导率0.018W/m.K)。同时它具有耐高温、轻质、良好力学性能和加工性能等优点，尤其适用于要求苛刻的军工隔热领域和追求环保、高效的民用隔热领域。目前用本技术制备的军用热电池隔热筒已装备于两个导弹型号中；制备的舱段隔热构件顺利通过某型导弹考核试验，有力促进了型号研制进度；材料已成功应用于高档冰箱用真空隔热板(VIP)中。本技术的推广，将产生巨大的军事效益和社会经济效益。
- 详细介绍：
- 1 基本思路: 本作品以陶瓷纤维为增强相，以硅醇盐和钛醇盐配制溶胶，混合形成纳米网络结构的凝胶后，采用超临界流体干燥脱除纳米孔中的溶剂，得到纤维增强纳米多孔气凝胶高效隔热复合材料。 2 创新点及优势: (1)采用高孔隙率、低密度、纳米孔径的整块气凝胶作为基体，实现材料极低的固体、气体传热特性。传统隔热材料为微米孔结构，与此不同的是，本材料为纳米孔结构，平均孔径20-50纳米，小于空气分子平均自由程(60纳米)，气体分子难以通过碰撞传递能量，因此具有极低的热导率(0.018W/m.K)，这突破了传统隔热材料的极限(0.025W/m.K，空气热导率)。 (2)国际上首次采用高体积分数陶瓷纤维增强气凝胶，显著提高复合材料力学性能。通常的隔热复合材料设计思想是尽量减少增强纤维含量以降低固态热传导，与此不同的是，本作品创新性地采用高体积分数纤维增强，在固态热传导增加不明显的条件下，获得的复合材料的力学强度(1.1MPa)明显优于国内外同类产品，具有优越的抗振动性和使用性能。 (3)在国内首次以钛溶胶形式引入二氧化钛红外遮光剂，达到遮光剂与二氧化硅气凝胶分子水平的均匀混合，实现材料极低的辐射传热特性。现有的红外遮光技术采用的是微米级颗粒，存在分散不均匀的致命弱点，本作品创新性地采用溶胶形式引入红外遮光剂，使分布均匀程度达到分子水平，因此材料具有优异的阻挡高温红外辐射作用，650℃下热导率低达0.021W/m.K。 (4)材料综合性能处于国内领先水平，高温热导率、力学性能指标达到国际领先水平。 3 应用领域与应用情况: 纳米多孔二氧化硅气凝胶高效隔热复合材料具有优异的隔热性能，同时它具有耐高温、轻质、抗震动性好、可靠性高等优点；并可进行机械加工或激光加工，安装操作方便。尤其适用于要求苛刻的军工隔热领域和追求环保、高效的民用隔热领域。国防方面如新型航天飞行器和导弹的防隔热结构、宇航服、飞机发动机、核潜艇、鱼雷等；民用方面如家用电器、工业加热设备、高温蒸汽管道、建筑家装、登山衣帽等的保温隔热。采用本材料对减轻隔热系统重量、提高武器装备作战性能，对于节约能源开支、减少废气排放、构建环保高效型社会具有重要意义。 本作品目前已获得一些实际应用。(1)中国航天科工集团梅岭化工厂利用本小组制备的隔热筒成功解决了某型号导弹军用热电池极为关键的隔热保温问题，目前该热电池隔热筒已投入小批量生产，并已装备于两个导弹型号。(2)采用本技术制备的舱段防隔热构件顺利通过中国航天科工集团二院二部某新型导弹地面模拟气动加热条件考核试验，有力促进了型号研制进度。(3)广州神宇公司将本技术成功应用于高档冰箱真空隔热板(VIP)中，其可靠性和性能远高于目前用超细玻璃棉作为芯板的VIP板。本技术的推广，将产生巨大的军事效益和社会经济效益。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1 作品设计、发明的目的 针对我国军用和民用领域对新型高效隔热复合材料提出的迫切需求，开发一种耐高温、轻质、高效隔热、良好力学性能和加工性能的纳米多孔二氧化硅气凝胶新型高效隔热复合材料，解决发展新型武器装备防隔热系统的重大技术难题，并为纳米多孔隔热材料在民用领域的广泛应用奠定坚实基础。 2 基本思路 以陶瓷纤维为增强相，以硅醇盐前驱体和钛醇盐前驱体配制溶胶，混合形成纳米网络结构的凝胶后，采用超临界流体干燥脱除纳米孔中的溶剂，得到纤维增强纳米多孔气凝胶高效隔热复合材料。 3 创新点 (1)采用高孔隙率、低密度、纳米孔径的整块气凝胶作为基体，实现材料极低的固体、气体传热特性；(2)国际上首次采用高体积分数陶瓷纤维增强气凝胶，提高复合材料力学性能；(3)在国内首次以钛溶胶形式引入二氧化钛红外遮光剂，达到遮光剂与二氧化硅气凝胶分子水平的均匀混合，实现材料极低的辐射传热特性；(4)材料综合性能处于国内领先水平，高温热导率、力学性能指标达到国际领先水平。 4 技术关键 (1)纤维预制件制备技术；(2)硅-钛复合溶胶配制技术；(3)超临界流体干燥技术。 5 技术指标 (1)常温热导率≤0.018W/m.K；650℃热导率≤0.021W/m.K； (2)抗弯强度≥1.1MPa； (3)使用温度≥650℃；密度≤0.25g/cm3；平均孔径≤50nm。
科学性、先进性
- (1)材料超级隔热。(a)传统隔热材料为微米孔结构，与此不同的是，本材料为纳米孔结构，孔径20-50纳米，小于空气分子平均自由程(60纳米)，气体分子难以碰撞传递能量，因此具有极低热导率(0.018W/m.K)，突破了传统隔热材料的极限(空气热导率0.025W/m.K)。(b)传统红外遮光技术采用微米级颗粒，存在分散不均匀的缺点，本作品创新性地以溶胶形式引入红外遮光剂，分布均匀程度达到分子水平，因此对高温红外阻挡效果明显，650℃热导率低达0.021W/m.K。 (2)材料具有良好使用性能。通常的隔热复合材料设计是尽量减少增强纤维以降低固态传热，与此不同的是，本作品采用高体积分数纤维增强，在固态传热增加不明显的条件下获得的复合材料的力学强度(1.1MPa)明显优于国内外同类产品，具有优越的抗振动性和使用性能。 (3)目前用本技术制备的军用热电池隔热筒已装备于两个导弹型号；制备的舱段隔热构件顺利通过某型导弹考核试验，有力促进了型号研制进度；材料已成功应用于高档冰箱用真空隔热板中。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品在国际上首次以高体积分数陶瓷纤维增强纳米多孔气凝胶，并以钛溶胶形式引入红外遮光剂，制备出了具有超级隔热效果和良好力学性能的高效隔热复合材料，其综合性能处于国内领先水平，高温热导率、力学性能指标达到国际领先水平。材料在新型导弹等高端前沿领域获得了应用。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 与中国航天科工集团梅岭化工厂、二院二部各签定技术服务合同人民币12万元、224.4万元。
作品可展示的形式
- 实物、产品 图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 纳米多孔二氧化硅气凝胶高效隔热复合材料具有超级隔热性能，同时具有耐高温、轻质、抗震动性好、可靠性高等优点；可进行机械、激光加工，安装操作方便；其制备周期短(＜7天)，产品批次稳定。 本技术能推广到诸多国防军工和民用隔热领域，如新型航天飞行器和导弹的防隔热结构、宇航服、飞机发动机、装甲车辆、军舰、核潜艇、鱼雷等，家用电器、工业加热设备、高温蒸汽管道、汽车发动机、建筑家装、登山衣帽等，采用本材料对于减轻隔热系统重量、提高武器装备作战性能，对于节约能源、减少废气排放、构建环保高效型社会具有重要意义。 据广州神宇公司调研结果，该公司生产的出口型高档冰箱用真空隔热板芯材年需求量为200万平方米，预计年利润将达到5000万元。单就国内冰箱市场而言，2008年国内冰箱销量为2500万台(青岛海尔2008年度报告统计)，按每台冰箱需隔热材料3.5平方米计算，国内冰箱用隔热材料的年需求量为8750万平方米，年产值将超过100亿元(价格按140元/平方米)，年利润将达到20亿元。
同类课题研究水平概述
- 国外开展气凝胶隔热复合材料研究最具有代表性的属美国Aspen公司，该公司已成功将气凝胶隔热柔性复合材料批量应用在海底石油管道的隔热保温方面。Aspen公司的产品为柔性毡状，可任意裁剪，其密度为0.12g/cm3，常温热导率为0.0145W/m.K，600℃下热导率为0.035W/m.K，抗拉强度为0.088MPa。国内较早开展相关研究的有XX大学，目前与浙江纳诺高科合作，开发了一系列的保温隔热产品。XX大学的产品为规则板状或筒状，其加工难度较大，密度为0.19g/cm3，常温热导率为0.013W/m.K(热线法测试) ，530℃下热导率为0.035W/m.K(热线法测试)，抗弯强度为0.12MPa。 采用本技术可成型复杂构件，可进行机械加工或激光加工，本作品的密度为0.20g/cm3，常温热导率为0.018W/m.K(热流计法测试) ，650℃下热导率为0.021W/m.K(平板法测试)，抗拉强度为1.2MPa，抗弯强度为1.1MPa。与以上两家国内外具有代表性的单位的产品相比，可以看出，采用本技术制备的纳米多孔二氧化硅气凝胶高效隔热复合材料具有很好的成型性和可加工性，密度和室温热导率指标与国内外相比处于同一档次，而高温热导率和力学性能处于国际领先水平，材料综合性能处于国内领先水平。 凭借领先的技术水平和卓越的产品性能，本技术制备的纳米多孔二氧化硅气凝胶高效隔热复合材料已在军用和民用方面获得了一些应用。 (1)军用方面。(a)中国航天科工集团遵义梅岭化工厂采用以本技术制备的隔热保温筒进行热电池实际工况考核试验，相比于原有的热电池隔热材料，热电池外表面温度显著降低，放电时间极大延长，纳米多孔气凝胶高效隔热复合材料隔热保温筒完全满足新型热电池设计要求，目前该隔热保温筒已小批量生产，并随该热电池成功应用于两个导弹型号。(b)中国航天科工集团二院二部在某型号导弹研制过程中对本材料进行了一系列试片级隔热性能试验和舱体级地面模拟气动加热条件考核试验，结果表明，纳米多孔二氧化硅气凝胶高效隔热复合材料在该导弹的工作环境下满足设计要求，这解决了该型号导弹的弹体结构热防护难题，确保了型号研制进度。 (2)民用方面。本技术制备的隔热材料已由广州市神宇材料科技有限公司作为芯材用于生产高档冰箱VIP板，产生了显著的经济效益和社会效益。
