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TiO_2和六钛酸钾晶须掺杂SiO_2干凝胶的制备及隔热性能研究

作　者: 张贺新
导　师: 赫晓东
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: SiO2干凝胶 TiO2掺杂六钛酸钾晶须分子模拟红外透过率干凝胶填充蜂窝夹芯
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

SiO2气凝胶是一种由SiO2胶体粒子相互团簇聚集形成的纳米多孔网络结构材料,由于在常温下具有很低的密度和极低的热导率,因此成为最具有开发潜力的一种超级绝热材料。但是随着使用环境温度的升高,由于SiO2气凝胶在高温时对传递热辐射能量的红外电磁波具有穿透性,它的辐射热导率会随温度升高而迅速增加,从而限制了其在高温环境下的应用。本文针对SiO2气凝胶对高温环境下的红外光具有高透过率的问题,选用了TiO2和六钛酸钾晶须两种具有高红外反射和吸收性能的粉末材料作为遮光剂,采用溶胶-凝胶法和非超临界干燥技术制备了遮光剂掺杂的SiO2干凝胶(通常由非超临界干燥法制备的气凝胶材料被成为干凝胶),并通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、傅立叶红外光谱仪(FTIR)以及N2吸附-脱附等方法对掺杂后的SiO2干凝胶的组织性能和孔结构等进行了分析,采用了分子力学模拟方法对掺杂后遮光剂粒子与SiO2干凝胶粒子的界面能进行了模拟和计算,并通过将掺杂后的干凝胶填充入蜂窝隔热结构中,采用表面瞬态加热装置对掺杂遮光剂的SiO2干凝胶与纯SiO2干凝胶在高温环境下的隔热性能进行了评价。以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,无水乙醇为溶剂,盐酸(0.2mol/L乙醇溶液)和氨水(2mol/L乙醇溶液)分别作为酸碱两步法中的酸性和碱性催化剂,选用丙三醇(GLY)为化学干燥控制剂(DCCA),制备TiO2和六钛酸钾晶须掺杂含量均为1%~8%(质量比)的SiO2干凝胶材料。在制备过程中,TEOS: H2O:无水乙醇=1:4:8;酸性水解条件为:pH=2、水解时间为15min、水解温度为50℃;碱性聚合条件为:TEOS: NH3·H2O=1:0.036、凝胶时间<2min。TiO2粉末掺杂的SiO2干凝胶是一种具有纳米孔的非晶态网络结构材料,TiO2颗粒以物理形态包覆于SiO2网络骨架中,在1000℃以内,随掺杂含量的增加,TiO2-SiO2干凝胶的孔径分布逐渐变宽,掺杂量≤5%的TiO2-SiO2干凝胶均能够具有>1000m2/g较高的比表面积,平均孔径分布为30~50nm。TiO2颗粒的掺入能够有效的散射或吸收2~8μm波长区域内的红外电磁辐射,降低这一高温能量主要集中区域的红外透过率。六钛酸钾(K2Ti6O13)晶须掺杂SiO2干凝胶在小于870℃时同样是具有纳米孔网络结构的非晶材料,其中1%质量比掺杂的干凝胶具有最大的比表面积为843m2/g,相比于同质量比掺杂的TiO2-SiO2干凝胶来说比表面积有所降低,且平均孔径也有所减小,1%~8%不同晶须掺杂量的SiO2干凝胶的平均孔径均为20~30nm。六钛酸钾晶须的掺入能够大大降低SiO2干凝胶的结晶温度,使其在870℃就出现了多晶化现象。六钛酸钾晶须掺杂的SiO2干凝胶同样可以有效的降低SiO2干凝胶在2~8μm波段内的红外辐射透过率。采用分子模拟方法对TiO2和六钛酸钾晶须掺杂SiO2干凝胶的掺杂形态和界面能进行了模拟和计算,结果表明:TiO2与SiO2界面能仅为0.601J/m2,说明TiO2颗粒与SiO2干凝胶骨架间没有的化学反应结合,TiO2颗粒能够稳定地掺杂于SiO2网络结构中;六钛酸钾晶须与SiO2的界面能为3.32J/m2,也属于一种较弱的结合方式。但是与TiO2/SiO2界面不同的是,在模拟过程中,六钛酸钾晶须中有部分K+从其初始位置扩散到干凝胶结构内部,这种K+扩散所导致的界面变形重构,可能是使六钛酸钾晶须掺杂的SiO2干凝胶在较低温度下就出现内部分子重排,导致晶化的主要原因。利用有限元分析方法对遮光剂掺杂SiO2干凝胶填充的蜂窝隔热结构进行了瞬态热环境模拟,并采用表面瞬态加热装置对这一隔热结构进行真实热环境测试来验证模拟结果。结果表明:未填充干凝胶的蜂窝结构的传热方式主要是内部的空气对流和辐射传热,填充遮光剂掺杂的SiO2干凝胶能够有效地阻止这两种传热方式的产生,使热量主要集中在面积很小的蜂窝壁上,大大延迟了底部面板达到预计高温的时间。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-14
第1章绪论  14-33
  1.1 课题背景  14-15
  1.2 隔热材料  15-20
    1.2.1 常见隔热材料  16-17
    1.2.2 超级隔热材料  17-20
  1.3 气凝胶隔热材料的研究进展  20-32
    1.3.1 气凝胶隔热材料的制备  20-23
    1.3.2 SiO_2 气凝胶隔热材料的隔热机理  23-27
    1.3.3 降低SiO_2 气凝胶热导率的方法  27-29
    1.3.4 SiO_2 气凝胶隔热材料的应用研究  29-32
  1.4 本文的主要研究内容  32-33
第2章遮光剂掺杂SiO_2干凝胶材料设计及实验方法  33-47
  2.1 引言  33
  2.2 遮光剂掺杂SiO_2 干凝胶实验参数的确定  33-41
    2.2.1 遮光剂的选择  33-35
    2.2.2 硅源及溶剂的选择  35-36
    2.2.3 催化剂的选择及反应过程的控制  36-39
    2.2.4 干燥控制化学添加剂的选择  39-40
    2.2.5 凝胶干燥  40-41
  2.3 SiO_2 干凝胶工艺流程  41-42
  2.4 分析测试方法  42-47
    2.4.1 红外光谱分析  42-43
    2.4.2 扫描电镜分析  43
    2.4.3 透射电镜分析  43
    2.4.4 X 射线衍射分析  43
    2.4.5 差热－热重分析  43
    2.4.6 孔结构分析  43-45
    2.4.7 干凝胶密度测量  45-47
第3章 TiO_2掺杂SiO_2干凝胶的组织结构与性能  47-74
  3.1 引言  47
  3.2 TiO_2 遮光剂组织结构  47-49
  3.3 TiO_2 掺杂SiO_2 干凝胶热分析  49-50
  3.4 TiO_2 掺杂SiO_2 干凝胶密度－温度曲线  50-51
  3.5 TiO_2 掺杂SiO_2 干凝胶组织结构  51-60
    3.5.1 TiO_2 掺杂SiO_2 干凝胶的相组成  51-52
    3.5.2 TiO_2 掺杂SiO_2 干凝胶的表面形貌  52-55
    3.5.3 热处理对TiO_2 掺杂SiO_2 干凝胶的表面形貌的影响  55-58
    3.5.4 TiO_2 掺杂SiO_2 干凝胶红外光谱  58-60
  3.6 TiO_2 掺杂SiO_2 干凝胶孔结构分析  60-67
    3.6.1 N2 吸附－脱附法  60-62
    3.6.2 小角X 射线散射法  62-67
  3.7 TiO_2 掺杂SiO_2 干凝胶遮光性能  67-72
  3.8 本章小结  72-74
第4章六钛酸钾晶须掺杂SiO_2干凝胶组织结构与性能  74-92
  4.1 引言  74
  4.2 六钛酸钾晶须组织结构  74-76
  4.3 六钛酸钾晶须掺杂SiO_2 干凝胶热分析  76-77
  4.4 六钛酸钾晶须掺杂SiO_2 干凝胶密度－温度曲线  77-78
  4.5 六钛酸钾晶须掺杂SiO_2 干凝胶组织结构  78-85
    4.5.1 六钛酸钾晶须掺杂SiO_2 干凝胶形貌  78-82
    4.5.2 六钛酸钾晶须掺杂SiO_2 干凝胶的相组成  82-83
    4.5.3 六钛酸钾晶须掺杂SiO_2 干凝胶的红外分析  83-85
  4.6 六钛酸钾晶须掺杂SiO_2 干凝胶的孔结构  85-87
  4.7 六钛酸钾晶须掺杂SiO_2 干凝胶遮光性能  87-91
  4.8 本章小结  91-92
第5章 TiO_2和K_2Ti_6O_(13)对SiO_2干凝胶界面作用分子力学模拟  92-106
  5.1 引言  92
  5.2 分子力学基本思想  92-95
  5.3 分子力学能量最小化方法  95-97
  5.4 模拟计算的晶体模型  97-98
  5.5 TiO_2、K_2Ti_6O_(13) 及 SiO_2 干凝胶力场参数检验及分子力学计算  98-102
  5.6 TiO_2/SiO_2、TiO_2/ K_2Ti_6O_(13) 干凝胶界面的分子力学优化  102-105
  5.7 本章小结  105-106
第6章蜂窝填充干凝胶结构的非稳态温度场模拟与实验考核  106-123
  6.1 引言  106-107
  6.2 瞬态温度场的有限元方程  107-108
  6.3 网格的划分、边界条件和初始条件  108-111
  6.4 干凝胶充填蜂窝结构温度场的数值模拟  111-118
  6.5 干凝胶充填蜂窝结构的隔热性能试验  118-122
  6.6 本章小结  122-123
结论  123-125
参考文献  125-138
攻读博士学位期间发表的学术论文  138-140
致谢  140-141
个人简历  141

TiO_2和六钛酸钾晶须掺杂SiO_2干凝胶的制备及隔热性能研究

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