氧化物气凝胶材料在高温区(>1000℃)容易发生晶型转变及颗粒的烧结,其耐温 性相对较差,但是其在中高温区(<1000℃)具备较低的热导率。氧化物气凝胶材 料主要有 SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2、CuO 等。
1)SiO2 气凝胶材料
SiO2 气凝胶是目前隔热领域研究最多也是较为成熟的一种耐高温气凝胶,其孔隙率 高达 80%~99.8%,孔洞的典型尺寸为 1~100nm,比表面积为 200~1000m2 /g,而密度 可低达 3kg/m3,室温热导率可低达 12m.W/(m〃K)。SiO2 气凝胶材料通常是将与 红外遮光剂以及增强体进行复合,以提高 SiO2 气凝胶的隔热和力学性能,使其既具 有实用价值的纳米孔超级绝热材料,同时还兼有良好的隔热和力学性能,主要应用 于航空航天、军事、电子、建筑、家电和工业管道等领域的保温隔热。常用的红外 遮光剂有碳化硅、TiO2(金红石型和锐钛型)、炭黑、六钛酸钾等;常用的增强材料 有陶瓷纤维、无碱超细玻璃纤维、多晶莫来石纤维、硅酸铝纤维、氧化锆纤维等。
2)ZrO2 气凝胶材料
与 SiO2 气凝胶材料相比,ZrO2 气凝胶的高温热导率更低,更适宜于高温段的隔热 应用,在作为高温隔热保温材料方面具有极大的应用潜力。ZrO2 气凝胶材料的孔径 小于空气分子的平均自由程,在气凝胶中没有空气对流,孔隙率极高,固体所占的 体积比很低,使气凝胶的热导率很低。目前关于 ZrO2 气凝胶应用于隔热领域的报道 还比较少,研究者主要致力于 ZrO2 气凝胶制备工艺的研究。
3)Al2O3 气凝胶材料
氧化铝气凝胶材料具有纳米多孔结构、使其具有更轻质量、更小体积达到等效的隔 热效果,同时具有高孔隙率、高比表面积和开放的织态结构,在催化剂和催化载体 方面具有潜在的应用价值。氧化铝气凝胶还可用作高压绝缘材料,高速或超速集成 电路的衬底材料,真空电极的隔离介质以及超级电容器。
1.3.2. 炭气凝胶与碳化物凝胶材料
炭气凝胶最大的特点就是其在惰性及真空氛围下高达 2000℃的耐温性,石墨化后耐 温性能甚至能达到 3000℃,而且炭气凝胶中的炭纳米颗粒本身就具备对红外辐射极 好的吸收性能,从而产生类似于红外遮光剂的效果,因此其高温热导率较低。但是 在有氧条件下,炭气凝胶在 350℃以上便发生氧化,这使得其在高温隔热领域的应 用受到了极大地限制。随着 SiC、MoSi2、HfSi2、TaSi2 等高抗氧化性涂层的发展, 在炭气凝胶材料表面涂覆致密的抗氧化性涂层,阻止氧气的进一步扩散,将使该材 料具备极大的应用前景。
碳化物材料具备极好的抗氧化性能,但是其本身热导率较高,将其制成含有三维立 体网络状结构的气凝胶,可以极大地降低材料的热导率,进一步提高材料的隔热性 能。目前国内外对于碳化物气凝胶的研究还相对较少,特别是对于成形性良好的块 状碳化物气凝胶的研究尚处于初始阶段,对于其作为高效隔热材料的研究也较为匮 乏,仅限于对该材料的制备与表征。