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第1期 杨海龙等：制备条件对硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料热导率的影响 .61. 钙石气相和辐射热传导降低值与固相热传导增加值 大孔隙，难以最大限度地发挥气凝胶的纳米孔隙结 的差值达到最大时，复合材料的热导率才会降到最 构作用而使得气相热传导下降较少.由表4实验14 低.也就是说气凝胶的固相热导率、气相热导率和 和实验18样品的气相热导率可以看出，后者的气相 辐射热导率之和（即气凝胶的总热导率）越低，复合 热导率是前者的1.98倍，相差较大，所以，较低的 材料热导率越低，而气凝胶的热导率随其体积质量 增重率即复合程度较小时，气凝胶对硬硅钙石的孔 的增加先降低后升高（见图7），所以，复合材料的热 隙结构改善不彻底，不能使硬硅钙石的气相热导率 导率也会呈现与气凝胶相类似的变化规律. 降低得足够多.，而超轻硬硅钙石热导率偏高主要就 在于其气相热导率较大，因此制备时控制较高的复 一。一辐射热导率 ·固相热导率 合增重率即复合程度也是很重要的，对于体积质量 一气相热导率 25 。一总热导率 一定的硬硅钙石和气凝胶来说，因为体积质量一定 的硬硅钙石其孔隙率一定，所以一定有一个最大的 15 复合增重率，这样复合时进入单位质量硬硅钙石孔 10 隙内部的气凝胶体积就有一个最大值， 3结论 50 100150200250300350 p/(kg-m-) 以Si02气凝胶先驱体和硬硅钙石为原料复合 制备了硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料，常温常压 图7Si02气凝胶热导率入与体积质量P的关系 下其热导率随硬硅钙石体积质量的减小以及复合增 Fig.7 Relationship of the thermal conductivity A and unit density P of silica aerogel 重率的增加而降低，而随气凝胶体积质量的增大先 降低后升高，所以制备这种复合材料时应尽可能选 2.3复合增重率对复合材料热导率的影响 用宏观上体积质量小和微观上二次粒子球成球好、 以100kgm-3的硬硅钙石和114kgm一3的气 中空度大的硬硅钙石以及绝热性能优异的S02气 凝胶在不同真空度环境下进行复合样品制备，并测 凝胶，同时还要控制较高的复合增重率即复合程度， 试了热导率，结果见表4 才能使硬硅钙石的热导率以最大限度地降低，得到 表4复合增重率与复合材料热导率 的复合材料的热导率才能达到最低，绝热性能才能 Table 4 Composite mass growth rate and thermal conductivity of com- 更优异 posite materials 参考文献 实验复合真 复合增 热导率/ 气相热导率/ 编号空度/kPa 重率/%(mWm-k(mWmk) [1]Smitha S.Shajesh P,Aravind P R.et al.Effect of aging time and 14 -75 64.60 25.3 13.3 concentration of aging solution on the porosity characteristics of suberitically dried silica aerogels.Microporous Mesoporous 15 -60 62.64 26.5 Mater,2006,91(1/3):286 16 一40 61.82 28.1 [2]Wang C T,Wu C L.Electrical sensing properties of silica aerogel 17 -20 60.96 32.5 thin films to humidity.Thin Solid Films,2006,496(2):658 18 0 57.26 36.3 26.3 [3]Schultz J M.Jensen K I.Kristiansen F H.Super insulating aerogel glazing-Sol Energy Mater Sol Cells.2005.89(2/3):275 复合时真空度不同导致了复合程度的不同，其 [4]Reim M,Korner W,Manara J.et al.Silica aerogel granulate mate- 中复合程度可以由复合增重率直观地表示出来，由 rial for thermal insulation and daylighting.Sol Energy.2005.79 (2):131 表中数据可以知道，热导率最小值与最大的复合增 [5]Rassy E H.Pierre A C.NMR and IR spectroscopy of silica aero 重率相对应，这是因为：当增重率较高时，进入硬硅 gels with different hydrophobic characteristics.Non Crys 钙石内部的气凝胶较多，对硬硅钙石的孔隙充填完 Solids,2005,351(19/20):1603 全；气凝胶对硬硅钙石孔隙结构的改善作用而呈现 [6]Marliere C.Woignier T,Dieudonne P,et al.Two fractal struc- 孔隙的纳米尺寸效应，使得硬硅钙石气相热传导下 tures in aerogel.J Non Cryst Solids.2001,285(1/3):175 [7]Ni W,Zou Y M.Chen D P.A study on the production of high 降较多.反之，复合时进入的气凝胶较少，对硬硅钙 temperature resistant thermal insulation materials of calcium sili- 石的孔隙充填不完全，则气凝胶对硬硅钙石的孔隙 cates by using natural quartzous powder.Mineral Petrol,1998. 结构改善不彻底，也就是说，复合材料中还残留有 18(1):28钙石气相和辐射热传导降低值与固相热传导增加值 的差值达到最大时复合材料的热导率才会降到最 低．也就是说气凝胶的固相热导率、气相热导率和 辐射热导率之和（即气凝胶的总热导率）越低复合 材料热导率越低而气凝胶的热导率随其体积质量 的增加先降低后升高（见图7）．所以复合材料的热 导率也会呈现与气凝胶相类似的变化规律． 图7 SiO2 气凝胶热导率 λ与体积质量ρ的关系 Fig．7 Relationship of the thermal conductivity λand unit density ρ of silica aerogel 2∙3 复合增重率对复合材料热导率的影响 以100kg·m －3的硬硅钙石和114kg·m －3的气 凝胶在不同真空度环境下进行复合样品制备并测 试了热导率结果见表4． 表4 复合增重率与复合材料热导率 Table4 Composite mass growth rate and thermal conductivity of composite materials 实验 编号 复合真 空度／kPa 复合增 重率／％ 热导率／ （mW·m －1·K －1） 气相热导率／ （mW·m －1·K －1） 14 －75 64．60 25．3 13．3 15 －60 62．64 26．5 － 16 －40 61．82 28．1 － 17 －20 60．96 32．5 － 18 0 57．26 36．3 26．3 复合时真空度不同导致了复合程度的不同其 中复合程度可以由复合增重率直观地表示出来．由 表中数据可以知道热导率最小值与最大的复合增 重率相对应．这是因为：当增重率较高时进入硬硅 钙石内部的气凝胶较多对硬硅钙石的孔隙充填完 全；气凝胶对硬硅钙石孔隙结构的改善作用而呈现 孔隙的纳米尺寸效应使得硬硅钙石气相热传导下 降较多．反之复合时进入的气凝胶较少对硬硅钙 石的孔隙充填不完全则气凝胶对硬硅钙石的孔隙 结构改善不彻底．也就是说复合材料中还残留有 大孔隙难以最大限度地发挥气凝胶的纳米孔隙结 构作用而使得气相热传导下降较少．由表4实验14 和实验18样品的气相热导率可以看出后者的气相 热导率是前者的1∙98倍相差较大．所以较低的 增重率即复合程度较小时气凝胶对硬硅钙石的孔 隙结构改善不彻底不能使硬硅钙石的气相热导率 降低得足够多．而超轻硬硅钙石热导率偏高主要就 在于其气相热导率较大因此制备时控制较高的复 合增重率即复合程度也是很重要的．对于体积质量 一定的硬硅钙石和气凝胶来说因为体积质量一定 的硬硅钙石其孔隙率一定所以一定有一个最大的 复合增重率这样复合时进入单位质量硬硅钙石孔 隙内部的气凝胶体积就有一个最大值． 3 结论 以 SiO2 气凝胶先驱体和硬硅钙石为原料复合 制备了硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料常温常压 下其热导率随硬硅钙石体积质量的减小以及复合增 重率的增加而降低而随气凝胶体积质量的增大先 降低后升高．所以制备这种复合材料时应尽可能选 用宏观上体积质量小和微观上二次粒子球成球好、 中空度大的硬硅钙石以及绝热性能优异的 SiO2 气 凝胶同时还要控制较高的复合增重率即复合程度 才能使硬硅钙石的热导率以最大限度地降低得到 的复合材料的热导率才能达到最低绝热性能才能 更优异． 参 考 文 献 ［1］ Smitha SShajesh PAravind P Ret al．Effect of aging time and concentration of aging solution on the porosity characteristics of subcritically dried silica aerogels． Microporous Mesoporous Mater200691（1／3）：286 ［2］ Wang C TWu C L．Electrical sensing properties of silica aerogel thin films to humidity．Thin Solid Films2006496（2）：658 ［3］ Schultz J MJensen K IKristiansen F H．Super insulating aerogel glazing．Sol Energy Mater Sol Cells200589（2／3）：275 ［4］ Reim MKorner WManara Jet al．Silica aerogel granulate material for thermal insulation and daylighting．Sol Energy200579 （2）：131 ［5］ Rassy E HPierre A C．NMR and IR spectroscopy of silica aerogels with different hydrophobic characteristics． J Non Cryst Solids2005351（19／20）：1603 ［6］ Marliere CWoignier TDieudonne Pet al．Two fractal structures in aerogel．J Non Cryst Solids2001285（1／3）：175 ［7］ Ni WZou Y MChen D P．A study on the production of high temperature resistant thermal insulation materials of calcium silicates by using natural quartzous powder．J Mineral Petrol1998 18（1）：28 第1期 杨海龙等： 制备条件对硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料热导率的影响 ·61·