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基本信息

項(xiàng)目名稱：
納米多孔二氧化硅氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料
小類：
能源化工
簡介：
國際上首次采用高體積分?jǐn)?shù)陶瓷纖維增強(qiáng)納米多孔氣凝膠，并在國內(nèi)首次以鈦溶膠形式引入二氧化鈦紅外遮光劑，發(fā)明制備了納米多孔二氧化硅氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料。材料綜合性能處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，高溫?zé)釋?dǎo)率、力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。 不同于傳統(tǒng)隔熱材料的微米孔結(jié)構(gòu)，氣凝膠復(fù)合材料為納米孔結(jié)構(gòu)(50nm)，由于納米尺寸效應(yīng)而具有超級隔熱性能(熱導(dǎo)率0.018W/m.K)。同時它具有耐高溫、輕質(zhì)、良好力學(xué)性能和加工性能等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于要求苛刻的軍工隔熱領(lǐng)域和追求環(huán)保、高效的民用隔熱領(lǐng)域。目前用本技術(shù)制備的軍用熱電池隔熱筒已裝備于兩個導(dǎo)彈型號中；制備的艙段隔熱構(gòu)件順利通過某型導(dǎo)彈考核試驗(yàn)，有力促進(jìn)了型號研制進(jìn)度；材料已成功應(yīng)用于高檔冰箱用真空隔熱板(VIP)中。本技術(shù)的推廣，將產(chǎn)生巨大的軍事效益和社會經(jīng)濟(jì)效益。
詳細(xì)介紹：
1 基本思路: 本作品以陶瓷纖維為增強(qiáng)相，以硅醇鹽和鈦醇鹽配制溶膠，混合形成納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠后，采用超臨界流體干燥脫除納米孔中的溶劑，得到纖維增強(qiáng)納米多孔氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料。 2 創(chuàng)新點(diǎn)及優(yōu)勢: (1)采用高孔隙率、低密度、納米孔徑的整塊氣凝膠作為基體，實(shí)現(xiàn)材料極低的固體、氣體傳熱特性。傳統(tǒng)隔熱材料為微米孔結(jié)構(gòu)，與此不同的是，本材料為納米孔結(jié)構(gòu)，平均孔徑20-50納米，小于空氣分子平均自由程(60納米)，氣體分子難以通過碰撞傳遞能量，因此具有極低的熱導(dǎo)率(0.018W/m.K)，這突破了傳統(tǒng)隔熱材料的極限(0.025W/m.K，空氣熱導(dǎo)率)。 (2)國際上首次采用高體積分?jǐn)?shù)陶瓷纖維增強(qiáng)氣凝膠，顯著提高復(fù)合材料力學(xué)性能。通常的隔熱復(fù)合材料設(shè)計思想是盡量減少增強(qiáng)纖維含量以降低固態(tài)熱傳導(dǎo)，與此不同的是，本作品創(chuàng)新性地采用高體積分?jǐn)?shù)纖維增強(qiáng)，在固態(tài)熱傳導(dǎo)增加不明顯的條件下，獲得的復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度(1.1MPa)明顯優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品，具有優(yōu)越的抗振動性和使用性能。 (3)在國內(nèi)首次以鈦溶膠形式引入二氧化鈦紅外遮光劑，達(dá)到遮光劑與二氧化硅氣凝膠分子水平的均勻混合，實(shí)現(xiàn)材料極低的輻射傳熱特性?，F(xiàn)有的紅外遮光技術(shù)采用的是微米級顆粒，存在分散不均勻的致命弱點(diǎn)，本作品創(chuàng)新性地采用溶膠形式引入紅外遮光劑，使分布均勻程度達(dá)到分子水平，因此材料具有優(yōu)異的阻擋高溫紅外輻射作用，650℃下熱導(dǎo)率低達(dá)0.021W/m.K。 (4)材料綜合性能處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，高溫?zé)釋?dǎo)率、力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。 3 應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用情況: 納米多孔二氧化硅氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料具有優(yōu)異的隔熱性能，同時它具有耐高溫、輕質(zhì)、抗震動性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；并可進(jìn)行機(jī)械加工或激光加工，安裝操作方便。尤其適用于要求苛刻的軍工隔熱領(lǐng)域和追求環(huán)保、高效的民用隔熱領(lǐng)域。國防方面如新型航天飛行器和導(dǎo)彈的防隔熱結(jié)構(gòu)、宇航服、飛機(jī)發(fā)動機(jī)、核潛艇、魚雷等；民用方面如家用電器、工業(yè)加熱設(shè)備、高溫蒸汽管道、建筑家裝、登山衣帽等的保溫隔熱。采用本材料對減輕隔熱系統(tǒng)重量、提高武器裝備作戰(zhàn)性能，對于節(jié)約能源開支、減少廢氣排放、構(gòu)建環(huán)保高效型社會具有重要意義。 本作品目前已獲得一些實(shí)際應(yīng)用。(1)中國航天科工集團(tuán)梅嶺化工廠利用本小組制備的隔熱筒成功解決了某型號導(dǎo)彈軍用熱電池極為關(guān)鍵的隔熱保溫問題，目前該熱電池隔熱筒已投入小批量生產(chǎn)，并已裝備于兩個導(dǎo)彈型號。(2)采用本技術(shù)制備的艙段防隔熱構(gòu)件順利通過中國航天科工集團(tuán)二院二部某新型導(dǎo)彈地面模擬氣動加熱條件考核試驗(yàn)，有力促進(jìn)了型號研制進(jìn)度。(3)廣州神宇公司將本技術(shù)成功應(yīng)用于高檔冰箱真空隔熱板(VIP)中，其可靠性和性能遠(yuǎn)高于目前用超細(xì)玻璃棉作為芯板的VIP板。本技術(shù)的推廣，將產(chǎn)生巨大的軍事效益和社會經(jīng)濟(jì)效益。

作品圖片

  • 納米多孔二氧化硅氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料
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作品專業(yè)信息

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

1 作品設(shè)計、發(fā)明的目的 針對我國軍用和民用領(lǐng)域?qū)π滦透咝Ц魺釓?fù)合材料提出的迫切需求，開發(fā)一種耐高溫、輕質(zhì)、高效隔熱、良好力學(xué)性能和加工性能的納米多孔二氧化硅氣凝膠新型高效隔熱復(fù)合材料，解決發(fā)展新型武器裝備防隔熱系統(tǒng)的重大技術(shù)難題，并為納米多孔隔熱材料在民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。 2 基本思路 以陶瓷纖維為增強(qiáng)相，以硅醇鹽前驅(qū)體和鈦醇鹽前驅(qū)體配制溶膠，混合形成納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠后，采用超臨界流體干燥脫除納米孔中的溶劑，得到纖維增強(qiáng)納米多孔氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料。 3 創(chuàng)新點(diǎn) (1)采用高孔隙率、低密度、納米孔徑的整塊氣凝膠作為基體，實(shí)現(xiàn)材料極低的固體、氣體傳熱特性；(2)國際上首次采用高體積分?jǐn)?shù)陶瓷纖維增強(qiáng)氣凝膠，提高復(fù)合材料力學(xué)性能；(3)在國內(nèi)首次以鈦溶膠形式引入二氧化鈦紅外遮光劑，達(dá)到遮光劑與二氧化硅氣凝膠分子水平的均勻混合，實(shí)現(xiàn)材料極低的輻射傳熱特性；(4)材料綜合性能處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，高溫?zé)釋?dǎo)率、力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。 4 技術(shù)關(guān)鍵 (1)纖維預(yù)制件制備技術(shù)；(2)硅-鈦復(fù)合溶膠配制技術(shù)；(3)超臨界流體干燥技術(shù)。 5 技術(shù)指標(biāo) (1)常溫?zé)釋?dǎo)率≤0.018W/m.K；650℃熱導(dǎo)率≤0.021W/m.K； (2)抗彎強(qiáng)度≥1.1MPa； (3)使用溫度≥650℃；密度≤0.25g/cm3；平均孔徑≤50nm。

科學(xué)性、先進(jìn)性

(1)材料超級隔熱。(a)傳統(tǒng)隔熱材料為微米孔結(jié)構(gòu)，與此不同的是，本材料為納米孔結(jié)構(gòu)，孔徑20-50納米，小于空氣分子平均自由程(60納米)，氣體分子難以碰撞傳遞能量，因此具有極低熱導(dǎo)率(0.018W/m.K)，突破了傳統(tǒng)隔熱材料的極限(空氣熱導(dǎo)率0.025W/m.K)。(b)傳統(tǒng)紅外遮光技術(shù)采用微米級顆粒，存在分散不均勻的缺點(diǎn)，本作品創(chuàng)新性地以溶膠形式引入紅外遮光劑，分布均勻程度達(dá)到分子水平，因此對高溫紅外阻擋效果明顯，650℃熱導(dǎo)率低達(dá)0.021W/m.K。 (2)材料具有良好使用性能。通常的隔熱復(fù)合材料設(shè)計是盡量減少增強(qiáng)纖維以降低固態(tài)傳熱，與此不同的是，本作品采用高體積分?jǐn)?shù)纖維增強(qiáng)，在固態(tài)傳熱增加不明顯的條件下獲得的復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度(1.1MPa)明顯優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品，具有優(yōu)越的抗振動性和使用性能。 (3)目前用本技術(shù)制備的軍用熱電池隔熱筒已裝備于兩個導(dǎo)彈型號；制備的艙段隔熱構(gòu)件順利通過某型導(dǎo)彈考核試驗(yàn)，有力促進(jìn)了型號研制進(jìn)度；材料已成功應(yīng)用于高檔冰箱用真空隔熱板中。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

該作品在國際上首次以高體積分?jǐn)?shù)陶瓷纖維增強(qiáng)納米多孔氣凝膠，并以鈦溶膠形式引入紅外遮光劑，制備出了具有超級隔熱效果和良好力學(xué)性能的高效隔熱復(fù)合材料，其綜合性能處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，高溫?zé)釋?dǎo)率、力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。材料在新型導(dǎo)彈等高端前沿領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。

作品所處階段

中試階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

與中國航天科工集團(tuán)梅嶺化工廠、二院二部各簽定技術(shù)服務(wù)合同人民幣12萬元、224.4萬元。

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品 圖片

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

納米多孔二氧化硅氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料具有超級隔熱性能，同時具有耐高溫、輕質(zhì)、抗震動性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；可進(jìn)行機(jī)械、激光加工，安裝操作方便；其制備周期短(＜7天)，產(chǎn)品批次穩(wěn)定。 本技術(shù)能推廣到諸多國防軍工和民用隔熱領(lǐng)域，如新型航天飛行器和導(dǎo)彈的防隔熱結(jié)構(gòu)、宇航服、飛機(jī)發(fā)動機(jī)、裝甲車輛、軍艦、核潛艇、魚雷等，家用電器、工業(yè)加熱設(shè)備、高溫蒸汽管道、汽車發(fā)動機(jī)、建筑家裝、登山衣帽等，采用本材料對于減輕隔熱系統(tǒng)重量、提高武器裝備作戰(zhàn)性能，對于節(jié)約能源、減少廢氣排放、構(gòu)建環(huán)保高效型社會具有重要意義。 據(jù)廣州神宇公司調(diào)研結(jié)果，該公司生產(chǎn)的出口型高檔冰箱用真空隔熱板芯材年需求量為200萬平方米，預(yù)計年利潤將達(dá)到5000萬元。單就國內(nèi)冰箱市場而言，2008年國內(nèi)冰箱銷量為2500萬臺(青島海爾2008年度報告統(tǒng)計)，按每臺冰箱需隔熱材料3.5平方米計算，國內(nèi)冰箱用隔熱材料的年需求量為8750萬平方米，年產(chǎn)值將超過100億元(價格按140元/平方米)，年利潤將達(dá)到20億元。

同類課題研究水平概述

國外開展氣凝膠隔熱復(fù)合材料研究最具有代表性的屬美國Aspen公司，該公司已成功將氣凝膠隔熱柔性復(fù)合材料批量應(yīng)用在海底石油管道的隔熱保溫方面。Aspen公司的產(chǎn)品為柔性氈狀，可任意裁剪，其密度為0.12g/cm3，常溫?zé)釋?dǎo)率為0.0145W/m.K，600℃下熱導(dǎo)率為0.035W/m.K，抗拉強(qiáng)度為0.088MPa。國內(nèi)較早開展相關(guān)研究的有XX大學(xué)，目前與浙江納諾高科合作，開發(fā)了一系列的保溫隔熱產(chǎn)品。XX大學(xué)的產(chǎn)品為規(guī)則板狀或筒狀，其加工難度較大，密度為0.19g/cm3，常溫?zé)釋?dǎo)率為0.013W/m.K(熱線法測試) ，530℃下熱導(dǎo)率為0.035W/m.K(熱線法測試)，抗彎強(qiáng)度為0.12MPa。 采用本技術(shù)可成型復(fù)雜構(gòu)件，可進(jìn)行機(jī)械加工或激光加工，本作品的密度為0.20g/cm3，常溫?zé)釋?dǎo)率為0.018W/m.K(熱流計法測試) ，650℃下熱導(dǎo)率為0.021W/m.K(平板法測試)，抗拉強(qiáng)度為1.2MPa，抗彎強(qiáng)度為1.1MPa。與以上兩家國內(nèi)外具有代表性的單位的產(chǎn)品相比，可以看出，采用本技術(shù)制備的納米多孔二氧化硅氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料具有很好的成型性和可加工性，密度和室溫?zé)釋?dǎo)率指標(biāo)與國內(nèi)外相比處于同一檔次，而高溫?zé)釋?dǎo)率和力學(xué)性能處于國際領(lǐng)先水平，材料綜合性能處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。 憑借領(lǐng)先的技術(shù)水平和卓越的產(chǎn)品性能，本技術(shù)制備的納米多孔二氧化硅氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料已在軍用和民用方面獲得了一些應(yīng)用。 (1)軍用方面。(a)中國航天科工集團(tuán)遵義梅嶺化工廠采用以本技術(shù)制備的隔熱保溫筒進(jìn)行熱電池實(shí)際工況考核試驗(yàn)，相比于原有的熱電池隔熱材料，熱電池外表面溫度顯著降低，放電時間極大延長，納米多孔氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料隔熱保溫筒完全滿足新型熱電池設(shè)計要求，目前該隔熱保溫筒已小批量生產(chǎn)，并隨該熱電池成功應(yīng)用于兩個導(dǎo)彈型號。(b)中國航天科工集團(tuán)二院二部在某型號導(dǎo)彈研制過程中對本材料進(jìn)行了一系列試片級隔熱性能試驗(yàn)和艙體級地面模擬氣動加熱條件考核試驗(yàn)，結(jié)果表明，納米多孔二氧化硅氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料在該導(dǎo)彈的工作環(huán)境下滿足設(shè)計要求，這解決了該型號導(dǎo)彈的彈體結(jié)構(gòu)熱防護(hù)難題，確保了型號研制進(jìn)度。 (2)民用方面。本技術(shù)制備的隔熱材料已由廣州市神宇材料科技有限公司作為芯材用于生產(chǎn)高檔冰箱VIP板，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
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