气凝胶基保温隔热材料研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

绚丽多彩的世界离不开材料，而在吉尼斯世界纪录中拥有多达15个吉尼斯纪录的气凝胶受到人们广泛关注[1]。气凝胶是经过溶胶-凝胶工艺[2]结合常压干燥技术或超临界干燥技术制备得到的一种由纳米级粒子聚集并以空气为分散介质的新型非晶态固体材料，具有低密度（0.03g/cm），高表面积（600m/g-1000m/g),高气孔率（90%-99%），纳米级孔隙结构（几纳米到几十纳米）和连续的空间网络结构孔[3]，使得它具有十分优良的绝热性能，应用前景广泛。气凝胶作为绝热材料[4]的主要困难是其强度低，脆性大，纳米级孔隙结构在外在压力下很容易被破坏，因此一些研究者设想将气凝胶与其他材料复合来制造既具有优良绝热性能又具有一定强度的复合型纳米孔超级绝热材料，从而实现气凝胶材料的更广泛应用。

目前国内外制备SiO2气凝胶[5]主要硅源有水玻璃、正硅酸乙酯、多聚硅氧烷等，尽管水玻璃价格最低，但成本依然很高。近年来，研究者们也在不断寻找廉价的硅源[6]用来制备SiO2气凝胶成本。通过这些研究，SiO2气凝胶的原材料成本可通过选择自然界中己存在的廉价的材料[7]来代替，为SiO2气凝胶的推广应用提供了便利。而气凝胶最常用的制备方法[5]主要是超临界干燥法和常压干燥法，这两种方法各有利弊。超临界干燥法可以制备出超低密度的SiO2气凝胶，但其制备过程复杂、干燥设备成本高，就其技术成熟角度来看，超临界干燥法现在基本已经成熟;常压干燥法虽不需要价格昂贵的干燥设备，制备过程也相对简单但其干燥体积收缩大、易开裂，但可通过网络增强、溶剂置换以及表面改性等方法得到改善。所以，常压干燥法是实现工业化生产，大规模推广应用的最佳选择具有广阔的发展前景。

SiO2气凝胶的性质、特点及应用

随着全球节能环保问题越来越受到重视，SiO2气凝胶被广泛应用于高级隔热材料中，其中主要体现在建筑节能和太阳能开发利用上[8]。目前，建筑材料的隔热性能普遍较差，SiO2气凝胶由于具有很好的热稳定性和保温隔热性，可以替代矿物棉，使房屋既隔热又保暖[9]。在热工设备中用SiO2气凝胶隔热复合材料替代传统的保温材料，可大大减少热损失，提高能源利用效率。还可以用其替代高层建筑中的玻璃幕墙，在减轻建筑物自重的同时还能起到防火作用。若把SiO2气凝胶用于太阳能开发利用上，可使得其集热效率提高1倍以上，而热损失可下降到现有水平的30%以下。用SiO2气凝胶取代聚氨醋泡沫作为冰箱等低温系统的隔热材料，可以防止排放的氟里昂气体对臭氧层的破坏，从而保护生态环境。

我国的建筑能耗大、能效低，且围护结构的保温隔热性能差，所以节能建筑所占比例很小[10]。近年来，我国每年新建建筑约20亿平方米，为全球新建建筑的40%以上，其中，仍有95%以上属于高耗能建筑。我国城乡建设仍保持粗放式增长，在建筑的建造和使用中，能源资源消耗高，利用率低，带来的能源环境制约矛盾日益突出，如果延续目前的建筑发展规模和建筑能耗现状，到2020年，每年将消耗1.2万亿度电和4.1亿吨标煤，接近目前全国建筑能耗的3倍。我国的外墙和窗户的传热系数为同纬度发达国家的3-4倍，所以建筑超越其他行业成为用能主要增长点，建筑节能将成为提高全社会能源使用效率的首要方面。SiO2气凝胶由于其独特的性质使其在建筑保温隔热领域的应用占据优势。目前，应用形式[10]有：

①SiO2气凝胶玻璃

②SiO2气凝胶隔热涂料

③SiO2气凝胶纤维复合材料

④SiO2气凝胶混凝土和砂浆

这几种应用均可以起到保温隔热的作用，极大降低了建筑物的能耗，SiO2气凝胶虽然具有超高的绝热性能，但它自身也存在强度低、易碎的缺点，导致使用范围受限。但由于其自身易脆的特点，硅气凝胶很少单独作为绝热材料应用。所以我们常见到的硅气凝胶的研究和应用大多是通过填充或复合的形式加以利用，从而提高其机械强度[11]。美国早些时候侧重于将硅气凝胶与纤维复合制成硅气凝胶毡类材料，这方面的研究主要为航空航天、高温管道、军事应用、超音速飞机等领域服务；还可以将硅气凝胶与聚苯乙烯复合制成复合微粒然后发泡成保温板，这比传统聚苯乙烯保温板绝热性能高很多，在未来建筑外墙[12]保温领域应用前景广泛。美国对硅气凝胶的研究起步较早，其绝热机理研究比较充分。国内在这方面的研究起步相对较晚，研究内容方面也多为材料内部结构的控制、制备工艺以及如何控制微观结构改善其绝热性能等方面的基础类研究[13]。

本文的研究基于采用高岭土制备[14]二氧化硅气凝胶粉末工艺，结合溶胶凝胶技术与常压干燥技术，通过掺杂不同的金属或者非金属离子[15]优化气凝胶的制备工艺，并表征掺杂不同离子后对气凝胶耐高温性能的研究，探索其在保温领域的应用。

2. 研究的基本内容与方案

本论文的实验内容：①文献调研，了解国内外相关研究概况和发展趋势，②采用高岭土作为硅源，在常温常压下制备二氧化硅气凝胶，并表征其性能，③在制备二氧化硅气凝胶的基础上，通过掺杂不同的金属离子或者非金属离子进行气凝胶粉末的制备，研究其颗粒组成，孔径分布，以及结构性能。

实验目标：

①掌握气凝胶粉末的制备工艺，了解气凝胶制备原理以及二氧化硅气凝胶的性能。

3. 研究计划与安排

1-3周：查阅相关文献，完成英文文献翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备，确定技术方案，完成开题报告；

4-6周：按照设计方案，制备气凝胶材料，研究气凝胶的结构组成、孔隙分布等；

7-9周：掺加金属或者非金属离子之后，研究气凝胶的制备工艺过程，以及不同条件对气凝胶结构的影响；

4. 参考文献（12篇以上）

[1].十大未来最具潜力的新材料[j].电子元件与材料,

2016,01:32.

[2]张健泓,陈优生,溶胶-凝胶法的应用研究,广东化工,(2008)47-49.