作為一類被公認為熱導率最低的固體材料，氣凝膠在隔熱方面的表現(xiàn)相當突出，熱導率甚至比室溫空氣還低。究其原因，主要是因為氣凝膠的骨架顆粒直徑小，顆粒之間的接觸面積也很小，因此熱量傳遞通路復雜——形象地來講，就是熱量從走高速平坦的“高速公路”，變成了走曲曲折折的“羊腸小道”。
目前氧化硅氣凝膠是研究得最為成熟的氣凝膠材料，已經(jīng)作為高性能隔熱材料得到了廣泛應用，但是氧化硅氣凝膠在高溫下會發(fā)生孔結(jié)構(gòu)的破壞，其短期使用溫度上限一般不超過800℃。相比于氧化硅氣凝膠，氧化鋁氣凝膠耐溫性更高，在1000℃時仍然能夠保持納米孔結(jié)構(gòu)，并具有很低的熱導率，是目前有氧環(huán)境下耐溫和隔熱性能突出的氣凝膠材料，在航空航天、工業(yè)窯爐等溫度更高的隔熱領(lǐng)域具有很大的應用潛力。
但是，氧化鋁氣凝膠的耐溫性比較強不代表它無所不能。當溫度超過1000℃時，純氧化鋁氣凝膠易于發(fā)生燒結(jié)導致微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，導致其隔熱性能大幅下降。因此為了使氧化鋁氣凝膠能夠在高溫隔熱領(lǐng)域?qū)嶋H投入使用，這個缺陷必須要補足。
氧化鋁氣凝膠的失效機理
Al2O3氣凝膠雖然具有較好的耐高溫性能，但在溫度升高的情況下會產(chǎn)生一系列的相變，如下圖所示?氧化鋁晶相會隨溫度的變化而改變，氧化鋁前驅(qū)體隨溫度的升高一般依次以γ→δ→θ→α次序相變，由于α-Al2O3為密排六方結(jié)構(gòu)，因此這個過程中氧化鋁氣凝膠的體積會不斷收縮，納米孔結(jié)構(gòu)遭破壞，比表面積也相應減小，導致其無法在高溫條件下正常使用?
Al2O3氣凝膠的高溫相變反應
另外，氧化鋁氣凝膠在高溫條件下失效還有一個原因就是Al2O3顆粒之間的燒結(jié)——隨溫度的升高，Al2O3微晶或顆粒會燒結(jié)。燒結(jié)是Al2O3表面能降低和顆粒聚集長大的過程，因此顆粒中心距離會不斷減小，材料發(fā)生收縮，從而導致Al2O3顆粒比表面積驟降。除此之外，由于氣凝膠具有納米孔結(jié)構(gòu)，在高溫下其表面活性較高，易于發(fā)生燒結(jié)，從而導致氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，降低其隔熱性能。
提高氧化鋁氣凝膠高溫性能的方法
目前提高氧化鋁氣凝膠耐高溫性能主要有以下３種方法：一是選擇適合的鋁鹽作為前驅(qū)體；二是確定最佳的制備工藝；三是在制備過程中加入其他元素對氧化鋁顆粒進行改性處理。
1.不同氧化鋁前驅(qū)體的影響
氧化鋁氣凝膠的制備按照前驅(qū)體來分類，主要有有機醇鋁鹽和無機鋁鹽兩類。
以醇鋁鹽為前驅(qū)體可以制備得到比表面積大、純度高、粒度分散均勻的氣凝膠。但該法過程復雜，如水解反應迅速且難控制，容易形成沉淀；影響反應的因素很多，如溶劑種類、用量、反應溫度以及添加劑等；同時存在原料價格昂貴且有機溶劑易燃有毒等諸多缺點。不過由于通過此法得到的氧化鋁氣凝膠呈現(xiàn)特殊的片葉狀或針葉狀結(jié)構(gòu)，有利于減少顆粒間彼此的接觸，降低氧化鋁氣凝膠的表面/體擴散，因此一般具有較好的熱穩(wěn)定性。
相對于金屬醇鹽法，采用無機鋁鹽雖然能夠制備出氧化鋁氣凝膠且原料廉價，但是制備的溶膠顆粒相對較大，凝膠時間較短，制備的氣凝膠容易形成粉末狀，周期較長，而且無機鋁鹽制備得到的氧化鋁氣凝膠顆粒通常為球形或片葉狀，顆粒間彼此的接觸較多，其熱穩(wěn)定性相對較差。
2.制備工藝的影響
①溶膠-凝膠工藝：龔茂初等在用溶膠-凝膠法制備氧化鋁的過程中，發(fā)現(xiàn)選擇適當?shù)拇呋瘎┎粌H有助于制備高比表面積的氧化鋁，而且可以增大氧化鋁的孔容，提高其耐高溫性能。另外，pH值、成膠過程中的水浴溫度、鋁鹽的初始濃度等都會對樣品的性能產(chǎn)生較大的影響。
②老化工藝：新形成的氧化鋁濕凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)結(jié)合一般較差，往往需要加入醇溶劑進行老化，促進凝膠的進一步交聯(lián)，增強凝膠的骨架強度，減小氣凝膠在隨后干燥過程中的收縮和開裂程度。
③超臨界干燥工藝：超臨界溫度必須比溶劑臨界點溫度高20℃，許多研究團隊聲稱更高的超臨界干燥(SCD)溫度似乎是有益的。Bedilo等指出煅燒后氧化鋯樣品的表面積隨SCD溫度的升高而增加，該團隊使用的最高SCD溫度可以合成孔徑分布最寬且孔徑對稱分布的氧化鋯氣凝膠。這些結(jié)果同樣適用于氧化鋁氣凝膠，較高的SCD溫度造成凝膠重構(gòu)并稍微降低初始表面積，但提高了耐高溫性能。
④超臨界修飾工藝：在超臨界干燥過程中加入修飾劑，與老化工藝中溶劑改性相似。利用新加入的官能團取代原有骨架結(jié)構(gòu)上的羥基，抑制高溫條件下羥基間的脫水縮合，從而提高耐高溫性能。
3.添加劑的影響
目前，改善氧化鋁氣凝膠耐高溫性能的重要方法是引入添加劑改性處理。大量研究表明，在制備氧化鋁溶膠的過程中添加稀土氧化物、堿土金屬氧化物、二氧化硅及其他氧化物可以延緩氧化鋁氣凝膠由高比表面積向低比表面積轉(zhuǎn)變，不同程度地抑制氧化鋁氣凝膠的高溫燒結(jié)和高溫相變。
- 二元氧化鋁氣凝膠：二元氧化鋁氣凝膠的改性作用主要在于第二相的加入導致氧化鋁表面羥基減少進而抑制燒結(jié)，提高氧化鋁氣凝膠的耐高溫性能。
- 多元氧化鋁氣凝膠：二元氣凝膠在抑制低溫相向α相轉(zhuǎn)變及耐高溫性能方面提升有限，因此考慮復合其他第三元素或更多元素來消除氧化鋁顆粒表面的羥基和陰、陽離子空穴以進一步提高耐高溫性能。
總結(jié)
顯然，改善氧化鋁氣凝膠的耐高溫性能對其在工業(yè)和軍工環(huán)保領(lǐng)域的應用具有重要意義。雖然就已知的一些研究結(jié)果來看，改變制備工藝或引入摻雜劑改性等方法對耐高溫性能的提高作用不是特別理想，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信氧化鋁氣凝膠復合材料的價值終將真正發(fā)揮出來。
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