發(fā)布時間：2020-06-13 18:40

【摘要】：新型高超聲速飛行器熱防護系統(tǒng)迫切需要耐高溫、輕質(zhì)、高效隔熱以及良好力學(xué)性能和使用性能的新型隔熱材料。氣凝膠作為一種性能優(yōu)異的隔熱材料,具有極低的熱導(dǎo)率和密度,較高的孔隙率和比表面積。然而,現(xiàn)有的氣凝膠耐溫性能較低,難以滿足高溫隔熱的要求。同時,氣凝膠脆弱的納米多孔骨架結(jié)構(gòu)使得氣凝膠的力學(xué)性能很低,難以在實際工程當(dāng)中得到應(yīng)用。本文開發(fā)出耐溫性能更高的氧化物復(fù)合氣凝膠和耐溫1400℃以上的高性能多孔纖維骨架,制備了氣凝膠增強多孔纖維骨架復(fù)合材料和超輕質(zhì)氣凝膠復(fù)合材料。本文系統(tǒng)地開展了莫來石/氧化鋯多孔纖維骨架復(fù)合材料的制備工藝、結(jié)構(gòu)和性能等研究,研究了不同燒結(jié)助劑、吸附劑、模壓壓力和氧化鋯纖維加入量等因素對多孔纖維骨架性能的影響。采用模壓法制備出了低密度(～0.29g/cm3)、低導(dǎo)熱(～0.060W/(m·K))和高強度(～2.1MPa)的多孔纖維骨架。同時,本文采用真空浸滲A1203-SiO2、Zr02-SiO2氣凝膠的方法來制備出氣凝膠增強多孔纖維骨架復(fù)合材料。本文優(yōu)化了溶膠-凝膠方法,制備出超低熱導(dǎo)/高穩(wěn)定性的介孔結(jié)構(gòu)A12O3-SiO2ZrO2-SiO2氣凝膠。其中制備的純A12O3-SiO2氣凝膠的密度為0.15g/cm3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.027W/(m·K);制備的純ZrO2-SiO2氣凝膠的密度為0.16g/cm3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.0235W/(m·K)。研究了浸滲氣凝膠前后復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能的變化。結(jié)果表明,氣凝膠增強多孔纖維骨架復(fù)合材料綜合了氣凝膠和多孔纖維骨架的優(yōu)勢,浸滲氣凝膠后,氣凝膠復(fù)合材料的熱導(dǎo)率明顯降低,同時還顯著提高了骨架復(fù)合材料的力學(xué)強度。本文還探索了兩類新型超輕質(zhì)-隔熱-承載一體化的氣凝膠復(fù)合材料。分別以硼酸鋁晶須、氧化鋯纖維為增強相,制備出硼酸鋁晶須(ABOw)增強A1203-SiO2氣凝膠復(fù)合材料和氧化鋯纖維(ZrO2f)增強Zr02-SiO2氣凝膠復(fù)合材料。結(jié)果表明,加入硼酸鋁晶須和氧化鋯纖維后,復(fù)合材料在壓縮變形時出現(xiàn)了晶須(纖維)橋接、晶須(纖維)拔出和裂紋偏轉(zhuǎn),明顯提高了材料的力學(xué)性能。同時,由于加入的晶須和纖維的體積分?jǐn)?shù)較小,復(fù)合材料的熱導(dǎo)率變化不大。采用多次浸滲法制備出自增強ZrO2-SiO2氣凝膠復(fù)合材料。文中研究了不同浸滲次數(shù)對Zr02-SiO2氣凝膠結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明,隨著浸滲次數(shù)的增加,ZrO2-SiO2氣凝膠中的缺陷減少,ZrO2-SiO2氣凝膠的力學(xué)性能明顯提高。
【圖文】：

ｐｏｒｏｕｓ邋ｃｅｒａｍｉｃｓ逡逑３．１．２莫來石纖維骨架的微觀結(jié)構(gòu)逡逑圖３－２邋（ａ，ｂ）是莫來石纖維骨架的平面和ｚ方向的電鏡圖。電鏡圖表明實逡逑驗用到的短切莫來石纖維的直徑約為長度約為５００ｐｍ。從圖中可以看出逡逑莫來石纖維主要朝向ＪＣ－Ｊ；平面，這使得材料在兩個方向上的性能有較大差異。在高逡逑倍顯微鏡下（圖３－２邋（ｃ，邋ｄ））可以看出，莫來石纖維分散均勻，在纖維粘結(jié)點上由逡逑Ｂ４Ｃ和ＳｉＣ燒結(jié)成的硼硅玻璃粘結(jié)劑粘結(jié)。在電鏡圖中沒有觀察到纖維上有大晶粒逡逑生長。制備的莫來石纖維骨架在ＪＣ－Ｊ平面均勻分散，在ｚ方向上形成準(zhǔn)層狀結(jié)構(gòu)。同逡逑時，，多孔纖維骨架中的纖維一層一層的聚集，少量纖維在層間起到連接作用。由逡逑于吸附劑的作用，漿料中的Ｂ４Ｃ和ＳｉＣ被吸附在短切纖維上，燒結(jié)后在纖維表面形逡逑成了一層硼硅玻璃，起到了增強纖維之間的連接強度的作用。逡逑１７逡逑

ｐｏｒｏｕｓ邋ｍｕｌｌｉｔｅ邋ｃｅｒａｍｉｃｓ邋ｉｎ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ：邋（ａ，ｃ）：邋ｘ／ｙ；邋（ｂ，ｄ）：邋ｚ逡逑３．１．３莫來石纖維的性能分析逡逑圖３－３中是不同初始壓力下莫來石多孔纖維骨架室溫下的壓縮強度和熱導(dǎo)率。逡逑隨著初始壓力８０ＫＰａ增加到２４０ＫＰａ，莫來石多孔纖維骨架的熱導(dǎo)率由０．０７５Ｗ／（ｍ邋Ｋ）逡逑增加到０．１０６Ｗ／（ｍ＿Ｋ）。極低的熱導(dǎo)率表明莫來石多孔纖維骨架是一種標(biāo)準(zhǔn)的熱阻逡逑隔材料。初始壓力的增加導(dǎo)致了莫來石骨架孔隙率減小，材料的固態(tài)熱導(dǎo)率增加。逡逑而隨著初始壓力的增加，多孔纖維骨架的氣態(tài)熱導(dǎo)率和輻射熱導(dǎo)率變化不大，因逡逑此材料整體的熱導(dǎo)率增大。由于模壓法導(dǎo)致了莫來石纖維骨架材料在：ｃ－ｙ平面和Ｚ逡逑方向的各向異性，室溫下的壓縮強度分為兩個方向來分析。隨著初始壓力８０ＫＰａ逡逑增加到２４０ＫＰａ，莫來石多孔纖維骨架在ｊｃ－ｊ方向的強度由２．４２ＭＰａ增加到５．７４ＭＰａ，逡逑莫來石多孔纖維骨架在Ｚ方向的強度由0．６８ＭＰａ增加到１．９７邋ＭＰａ。這表明材料在逡逑方向上的強度要優(yōu)于Ｚ方向。這是由于材料在ｊｃ－ｊ；方向纖維隨機分布且緊密連接，使逡逑得ｘ－３；方向的力學(xué)性能得到提高。然而，在Ｚ方向上，由于材料為準(zhǔn)層狀結(jié)構(gòu)，層與逡逑層之間只有少量纖維連接
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33

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本文編號：2711581