国防科技大学 空天科学学院, 新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室, 长沙 410073
陶瓷基多孔结构既继承致密陶瓷材料耐高温、电绝缘、化学稳定的优异性能, 又兼具多孔结构低密度、高比表面积、低热导率的独特优势, 已被广泛应用于隔热、骨组织工程、过滤及污染物清除、电子元器件等领域。但是, 陶瓷基多孔结构的传统成孔方法在宏观尺度创造复杂几何外形与微纳尺度调控孔结构形态方面仍面临巨大挑战。近几十年来, 研究人员一直致力于创新陶瓷基多孔结构的加工成型方法, 以直写3D打印为代表的增材制造技术成为当前研究的热点, 并迅速发展出一系列成熟理论与创新方法。本文首先概述了陶瓷基多孔结构的传统成孔方法与增材制造成孔方法, 进一步详细介绍了直写组装成孔工艺过程, 主要包括假塑性墨水配方、固化策略、干燥及后处理, 分析了传统成孔方法与直写3D打印二者的组合技术在构筑陶瓷基多级孔结构方面的可行性, 总结了直写3D打印技术在制造复杂陶瓷基多孔结构领域的新观点、新进展和新发现, 最后结合陶瓷基多孔结构实际应用现状对直写3D技术的未来发展与挑战进行了展望。
增材制造 直写3D打印 陶瓷 多孔材料 功能应用 综述 additive manufacturing direct-ink-writing 3D printing ceramic porous material functional application review
国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室, 长沙 410073
Al2O3-SiO2气凝胶是一种低密度、高比表面积、高孔隙率、低热导率的三维结构纳米多孔材料, 在航空航天、建筑保温、石油化工等领域具有广泛的应用前景, 是理想的高温隔热基体之一。但纯Al2O3-SiO2气凝胶力学性能和抑制高温辐射传热能力较弱, 限制了自身在隔热领域的应用。采用纤维作为增强体, 制备的Al2O3-SiO2气凝胶复合材料同时具有较好的力学和隔热性能, 是目前国内外高温隔热材料方向的研究热点之一。本文介绍了纤维增强Al2O3-SiO2气凝胶隔热复合材料的制备方法, 综述了目前国内外该材料的研究进展, 并对其未来发展趋势做了展望。
隔热复合材料 纤维增强 Al2O3-SiO2气凝胶 力学性能 隔热性能 thermal insulation composite fiber reinforcement alumina-silica aerogel mechanical property thermal insulation performance
国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室, 长沙 410073
二氧化硅气凝胶是一种具有高孔隙率、高比表面积、低热导率等诸多优异特性的纳米多孔材料, 在航天、化工、建筑等众多领域有着广阔的应用前景。但是, 二氧化硅气凝胶的网络骨架存在本征陶瓷脆性, 限制了其实际应用。本文从气凝胶纳米颗粒颈部强化设计角度出发, 介绍了液相强化法和气相强化法两类网络骨架强化策略的研究进展, 并对以上两种强化策略的增强机理进行了阐释, 最后对二氧化硅气凝胶网络骨架强化技术的发展方向提出了展望。
二氧化硅气凝胶 骨架强化 力学性能 交联 液相 气相 sililca aerogel network reinforcement mechanical property crosslinking liquid phase gas phase
1 西安理工大学材料科学与工程学院, 西安 710048
2 国防科技大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室, 长沙 410073
SiO2气凝胶隔热复合材料已经广泛应用于航空航天、石油化工等隔热保温领域, 通过疏水改性可大幅拓展其应用场景。为了使SiO2气凝胶隔热复合材料在更高温度仍保持良好的疏水性能, 采用聚硅氧烷改性硅酸盐涂料对SiO2气凝胶隔热复合材料进行表面刷涂疏水改性, 然后研究了涂层厚度对裂纹扩张的影响以及涂层在高温下疏水性能的失效机制和刷涂改性前后复合材料的耐磨损性能。结果表明, 当涂层厚度大约为13 μm时, 所制备的涂层表面无裂纹, 接触角可达(113±2)°, 经450 ℃高温热处理1 800 s后接触角依然可以保持在105°左右, 表现出良好的热稳定性, 同时涂层显著提高了复合材料的耐磨损性能。
SiO2气凝胶隔热复合材料 聚硅氧烷改性硅酸盐 耐高温 疏水改性 耐磨损性能 涂层 SiO2 aerogel thermal insulation composite polysiloxane modified silicate thermal resistance hydrophobic modification wear resistance coating
国防科技大学 空天科学学院, 新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室, 长沙 410073
氧化铝气凝胶是一种高孔隙率、低密度、高比表面积、耐高温和低热导的纳米多孔材料, 在高温隔热领域(如航天飞行器热防护系统、工业窑炉保温材料等)具有广阔的应用前景。但是, 纯氧化铝气凝胶因耐温性(1000 ℃以上)、力学性能和高温隔热性能相对较差难以直接应用, 需要引入增强相和遮光组分制备成气凝胶复合材料以进行改善。本文对耐高温氧化铝气凝胶的制备、氧化铝气凝胶隔热复合材料的制备及性能等方面的最新研究进展进行了综述。研究人员通过原位掺杂改性、沉积改性、有机链和炭涂层改性等方法提高了氧化铝气凝胶的热稳定性。在氧化铝气凝胶中引入晶须、颗粒、多孔骨架和纤维等增强相, 能够大幅提高其力学性能; 纤维和遮光剂的协同作用, 能够提高氧化铝气凝胶抑制红外辐射的能力, 显著降低高温热导率。本文还提出了后续的研究方向：对氧化铝气凝胶的密度、微观结构进行精细调控, 再引入合适的异质元素和遮光剂,以进一步提高气凝胶的热稳定性和复合材料的隔热性能;深入研究复合材料在高温下结构和性能的演化, 以及氧化铝气凝胶和增强相之间的相互作用。作为一种新型的隔热材料, 氧化铝气凝胶复合材料将在高温隔热领域发挥其优势并逐步实现广泛应用。
氧化铝气凝胶 隔热 复合材料 增强相 遮光剂 综述 alumina aerogel thermal insulation composite reinforcement opacifier review
国防科技大学 空天科学学院, 新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室, 长沙 410073
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、功率密度大、室温启动快、噪音低和零污染等特点, 有望减少二氧化碳排放量, 缓解能源危机, 在轨道交通、航空航天等领域具有广阔的应用前景。催化剂是PEMFC的关键材料, Pt催化氧还原反应活性和稳定性好, 是广泛使用且很难被取代的电催化剂。然而Pt储量低、价格昂贵, 导致PEMFC成本较高, 使用Pt载体可减少PEMFC的Pt负载量, 提高Pt利用率。碳材料具有成本低廉、比表面积大、孔结构丰富、电导率和表面性质可调等特性, 是广泛应用的Pt载体。商用的炭黑载体对Pt的利用效率低, 抗电化学腐蚀性较差。为了进一步提高PEMFC的性能和持续性, 需要研发能够均匀负载Pt、高效利用Pt、抗电化学腐蚀性强且导电性好的碳载体, 进而实现PEMFC的大规模应用。炭气凝胶、碳纳米管和石墨烯等新型碳载体具有独特的结构和性质, 可以提高PEMFC性能和寿命, 引起了研究者的广泛关注。本文对近年来PEMFC新型碳材料Pt载体的研究进展进行了较为详细的综述, 并对其发展趋势作出了适当评论。
质子交换膜燃料电池 炭气凝胶 碳纳米管 石墨烯 综述 Proton Exchange Membrane Fuel Cell carbon aerogel carbon nanotube graphene review
