Research Progress on Alumina Aerogel Composites for High-temperature Thermal Insulation

无 机 材 料 学 报 第 36 卷 随着航天飞行器不断向高马赫数和长航时的方 向发展, 飞行器表面的气动加热环境更为恶劣 [1] , 对热防护系统的防隔热性能提出了极为苛刻的要求, 亟需轻质、耐更高温度(1000 ℃以上)、隔热性能更 优异且具有较好力学性能的新型材料。在民用领域, 工业窑炉(水泥回转窑、钢铁高炉/转炉、陶瓷窑等, 工作温度 200~2500 ℃)在总的能源消耗中占据很大 比重, 采用传统的耐火砖、陶瓷纤维等作为保温材 料, 热导率偏高, 造成了较高的能量耗散, 需要采 用新型的高效隔热材料降低能源消耗。 气凝胶是一种由纳米尺度颗粒组成的高孔隙率 和低密度材料, 其复杂的三维网络结构、纳米尺度 的孔径显著抑制了固态和气态热传导, 因而具有 极低的热导率 [2] 。陶瓷气凝胶(如氧化硅 [3][4] 、氧化 铝 [5][6][7] 、氧化锆 [8] 、碳化硅 [9] 、氮化硼 [10] 等气凝胶) 因具有良好的耐高温和隔热性能而受到广泛关注。 氧化硅气凝胶是目前研究最为成熟的气凝胶材料, 已经作为高性能隔热材料得到了广泛应用 [2] , 但是 氧化硅气凝胶在高温下会发生孔结构的破坏, 其短 期使用温度上限一般不超过 800 ℃ [11][12] 。相比于氧 化硅气凝胶, 氧化铝气凝胶耐温性更高, 在 1000 ℃ 时仍然能够保持纳米孔结构 [5] , 并具有很低的热导 率(30 ℃时为 0.029 W/(m•K)), 是目前有氧环境下耐 温和隔热性能突出的气凝胶材料, 在航空航天、工 业窑炉等温度更高的隔热领域具有很大的应用潜 力。但是, 纯氧化铝气凝胶存在耐温性有待提升(最 高使用温度一般不超过 1000 ℃)、力学性能 [5,13] 和 高温隔热性能较差(对红外辐射的透过性很高, 在 高温下热导率急剧上升 [5,[14][15] )的问题, 这是阻碍其 在高温隔热领域实际应用的主要瓶颈。