【摘要】：間苯二酚-甲醛(RF)氣凝膠是一種具有輕質(zhì)、吸音、防火、低導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)異性能的納米多孔材料,可應(yīng)用于交通、建筑、船舶、飛行器等領(lǐng)域。與其它傳統(tǒng)的酚醛泡沫材料相比,RF氣凝膠擁有更低的導(dǎo)熱系數(shù)和更高的吸音能力。然而,這種材料存在力學(xué)性能不高和脆性大的缺點,在很大程度上限制了其應(yīng)用。為了解決這些問題,本課題提出采用納米顆粒(氧化鋅,蒙脫土)和玻璃纖維材料(玻璃纖維布,玻璃纖維氈)與其進(jìn)行復(fù)合,通過顆粒和纖維增強(qiáng)的方法來提高RF氣凝膠的力學(xué)性能。目的是將RF氣凝膠的優(yōu)異性能與增強(qiáng)材料的高強(qiáng)度、高模量相結(jié)合從而獲得多種既輕質(zhì)高強(qiáng)又防火吸音的材料。在此基礎(chǔ)之上,本文先后研究了多種RF氣凝膠及其復(fù)合材料的制備工藝并對其進(jìn)行了表征,各種RF氣凝膠及其復(fù)合材料的力學(xué)性能和多種能量(熱、聲和電)儲存與傳輸性能及其影響因素,以及各種能量儲存與傳輸性能的理論與實際應(yīng)用機(jī)理,并從量子的角度對其機(jī)理予以解釋。為了獲得適合本課題的RF氣凝膠,論文探討了單組分的均相RF氣凝膠的制備工藝:先制備甲醛與間苯二酚前驅(qū)體,其中甲醛與間苯二酚的所占比重為20%,再經(jīng)過溶劑置換、酸洗老化和冷凍干燥最終得到性能優(yōu)異的RF氣凝膠(Na_2CO_3作催化劑,叔丁醇為置換溶劑,乙酸為老化溶劑)。在其基礎(chǔ)上通過對溶劑置換、酸洗老化的過程進(jìn)行微調(diào),制備得到了多重結(jié)構(gòu)RF氣凝膠材料,最后將聚苯胺(PANI)和苯胺/植酸氣凝膠(AP)組分分別加入其制備過程,獲得了多組分的PANI/RF和AP/RF氣凝膠。在制備得到各種RF氣凝膠材料后,對其成分、結(jié)構(gòu)、孔隙狀況和力學(xué)性能分別進(jìn)行了表征。本文首先采用納米顆粒及玻璃纖維增強(qiáng)材料與單組分RF氣凝膠材料進(jìn)行復(fù)合,改善了RF氣凝膠材料的力學(xué)性能。結(jié)果表明,與單組分均相RF氣凝膠相比,RF氣凝膠復(fù)合材料的密度增加,孔隙質(zhì)量和比表面積都有所下降,但是其力學(xué)性能有了明顯提升。其中,納米顆粒和玻璃纖維都會一定程度增強(qiáng)其各項力學(xué)性能,相比來說,玻璃纖維對其力學(xué)性能的改善更加明顯,往往能提高一個數(shù)量級以上。另外納米顆粒和玻璃纖維協(xié)同增強(qiáng)材料擁有最好的力學(xué)性能,其壓縮、彎曲、拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性分別為4.21MPa、10.51MPa、9.64MPa和5.79kJ/m~2遠(yuǎn)高于單組分的RF氣凝膠。這主要是因為:顆粒的加入,在一定程度上起到了阻止應(yīng)力傳遞的作用;玻璃纖維的加入一方面增強(qiáng)了材料整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,另一方面其三維交織的網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)力起到了緩沖的作用。隨后,對制備的多種RF氣凝膠及其復(fù)合材料的能量儲存與傳輸性能進(jìn)行了研究,并分析了其各種影響因素。結(jié)果表明:對于本文設(shè)計的其它氣凝膠,多重結(jié)構(gòu)RF氣凝膠具有優(yōu)異的儲音和隔音效果(隔音效果比均相的RF氣凝膠約高3倍左右),而PANI/RF和AP/RF則具備優(yōu)異的儲電性能(它們在0.2A/g電流密度下的比電容分別為280F/g和420F/g),另外制備了Mold-AP和Mold-AP/RF氣凝膠獲得了優(yōu)異的定向?qū)щ娦阅?比非定向結(jié)構(gòu)高4倍以上);對于復(fù)合氣凝膠,納米顆粒增強(qiáng)了RF氣凝膠材料增強(qiáng)了其耐熱和燃燒性能,而玻璃纖維的加入使其耐熱性能提高,但燃燒性能反而下降到B1級,另外玻璃纖維布降低了其熱量傳輸,增強(qiáng)了其隔熱性能;同時,重點研究了影響其各項能量傳輸性能的因素,總的來說其主要影響因素存在共性,包括固含量、組分構(gòu)成、結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)材料種類等等,除此之外,還有特性的溫度、匹配度、電阻率等其他因素。最后對各種RF氣凝膠材料的各項能量的儲存與傳輸?shù)睦碚撨M(jìn)行了分析,并推導(dǎo)了其各項能量的理論分析公式,然后結(jié)合第五章的實驗結(jié)果舉例闡明了其的各項能量的儲存與傳輸機(jī)理。另外,通過三種能量形式各自的理論與機(jī)理分析,并引入了物理學(xué)量子概念,從微觀粒子角度總結(jié)了其通用機(jī)理,將物理原理與材料的實際應(yīng)用更緊密的結(jié)合起來,加深了各學(xué)科之間的聯(lián)系。
【圖文】：

RF 凍干氣凝膠及其復(fù)合材料的制備和能量儲存與傳輸性能研究能量傳輸?shù)臋C(jī)理與模型，對于更深入的研究材料的各項性能之間的關(guān)系從而制備出異的 RF 氣凝膠及其復(fù)合材料具有非常重要的指導(dǎo)意義，除此之外，它對于拓展各聯(lián)系與共同發(fā)展具有十分重要的促進(jìn)作用。機(jī)氣凝膠國內(nèi)外應(yīng)用研究現(xiàn)狀于現(xiàn)有的研究報道，有機(jī)氣凝膠在熱、電、聲等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，可被應(yīng)天、軍事裝備、潛艇、電容電池等領(lǐng)域（如圖 1.1 所示）。

南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文是溶膠在聚合沉降過程中的特殊狀態(tài)，凝膠體系不會像聚沉過程一樣生成沉淀，它仍然具力學(xué)的穩(wěn)定狀態(tài)。溶膠-凝膠的具體過程可概述如下：在反應(yīng)溶液中反應(yīng)分子之間首先會反應(yīng)生成基元粒子后這些基元粒子會在反應(yīng)的過程中不斷的融合其他反應(yīng)分子從而長大成核，這些核會起到凝膠中心的作用，繼續(xù)生長后形成最初的溶膠骨架粒子，最后溶膠粒子會與相鄰的溶膠粒生交聯(lián)作用形成最終三維凝膠骨架網(wǎng)絡(luò)。實際上，粒子的長大、支化和交聯(lián)過程是在整個中都在進(jìn)行的，因此，，最終的凝膠結(jié)構(gòu)的狀態(tài)是由成核、粒子生長以及交聯(lián)的速率三者共定的[63,64]。氣凝膠的制備過程主要包括溶膠凝膠、酸洗老化、溶劑置換以及干燥四個主要過程。其中凝膠的制備過程為前三個，最后一個是由濕凝膠向最終氣凝膠材料制備的過程。有機(jī)氣凝制備過程與無機(jī)氣凝膠大致相同，各階段對于凝膠結(jié)構(gòu)的影響也相似，因此下面主要以間酚甲醛（RF）有機(jī)氣凝膠為例來詳細(xì)討論凝膠的制備過程以及各階段對凝膠結(jié)構(gòu)的具體影響 2.1 是 RF 氣凝膠的化學(xué)反應(yīng)式以及從成核、交聯(lián)生長到最后干燥過程中的結(jié)構(gòu)變化示意圖以 RF 氣凝膠的制備過程為例）。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ427.26;TB332

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2675691