氣凝膠摻雜對玻璃纖維氈隔熱性能的影響

郭建業，王 冬，蘇力軍，李文靜

（1.航天特種材料及工藝技術研究所，北京 100074；2.空軍裝備部駐北京地區第二軍事代表室，北京 100074）

空天飛行器在穿越大氣層飛行時面臨嚴酷的氣動加熱環境。為了防止熱量經外防熱層向內部傳遞進而影響結構和設備安全，飛行器的冷結構和內部設備均需采用隔熱材料進行防護[1-5］。目前，航空航天領域使用的隔熱材料主要分為剛性隔熱材料和柔性隔熱材料兩種，剛性隔熱材料主要為隔熱瓦[6］、氣凝膠[7］等材料，柔性隔熱材料主要為各類纖維氈材料[8］。與剛性隔熱材料相比，纖維氈材料具有重量輕、工藝簡單、成本低、裝配方便、抗熱震性好等優勢，因此近年來得到了越來越廣泛的應用。

NASA Ames 研究中心研發了柔性重復使用表面隔熱氈（FRSI）和先進柔性重復使用表面隔熱氈（AFRSI）[9］，前者是由石英纖維布包裹、石英纖維線縫合的石英纖維氈，最高使用溫度為815 ℃，后者是對FRSI纖維氈進行改進得到的增強型纖維氈，用于飛行速度超過10 Mach（1 Mach=1 225 km/h）的X-51A高超聲速飛行器，最高使用溫度為1 037 ℃。為了降低高溫輻射傳熱，美國研制了添加遮光劑的陶瓷纖維隔熱氈OFI，結果發現將遮光劑添加到氧化鋁/氧化硅纖維中，最高使用溫度可達1 480 ℃[10］。劉建方等[11］以氣瓶熱防護為應用目標，設計了一種多層柔性熱防護結構，該熱防護結構由單層石英纖維布、單層鋁箔、柔性隔熱氈組成，該熱防護層能夠承受長時間高強度熱流沖擊，從而可對氣瓶進行有效熱防護。曹旭等[12］基于充氣式再入與減速技術的航天器柔性熱防護需求，設計了一種多層柔性特紡材料熱防護系統，最外面的防熱層采用3M 公司的Nextel440氧化鋁纖維柔性編織材料，中間的隔熱層使用多層復合無機隔熱氈，最里面的阻氣承力層采用Kevlar 織物，該材料經高焓風洞實驗后整體力學性能穩定，熱防護性能不受折疊和縫紉工藝影響。

對于短時工作飛行器，飛行器面臨短時熱流沖擊，來自氣動加熱的熱量向內部傳遞時間較短，隔熱材料須具備良好的瞬時隔熱性能，這就要求隔熱材料達到穩態傳熱時的冷面溫度低且達到穩態傳熱的時間長。研究表明，隔熱材料達到穩態傳熱時材料的冷面溫度與材料熱導率相關，而隔熱材料達到穩態傳熱的時間與材料的密度直接相關，密度越大，熱沉越高，材料溫升越慢。由于柔性纖維材料的密度較小，熱沉較低，從而導致其達到穩態傳熱的時間較短，因此在短時熱防護條件下不具備使用優勢。鑒于此，本工作以玻璃纖維棉氈為研究對象，嘗試在不喪失其柔性的基礎上，通過摻入二氧化硅氣凝膠來增大材料密度、提高材料熱沉，同時利用氣凝膠的高效隔熱性能降低材料的熱導率，進而提高玻璃纖維棉氈的短時隔熱性能。此外，還研究了摻入二氧化硅氣凝膠后材料結構和性能的變化。

1 實驗

1.1 實驗原料

玻璃纖維氈，密度為0.1 g/cm3。正硅酸乙酯、乙醇、氨水均為分析純。

1.2 玻璃纖維氈摻雜二氧化硅氣凝膠方法

將正硅酸乙酯、溶劑（乙醇）、水混合攪拌5 min后緩慢加入催化劑（氨水），繼續攪拌10 min，形成二氧化硅溶膠前驅體，其中正硅酸乙酯、乙醇、水、氨水的質量比為100∶130∶40∶1。將尺寸為500 mm×500 mm×5 mm的玻璃纖維氈放入模具中，隨后將二氧化硅溶膠前驅體加入模具中，使溶膠前驅體充分浸漬玻璃纖維氈，合模，常溫下老化48 h。最后，進行超臨界干燥（干燥介質為CO2），將二氧化硅氣凝膠摻入玻璃纖維氈中。

1.3 測試儀器與方法

采用Quanta PEG 650型掃描電子顯微鏡（SEM）對樣品的微觀形貌進行觀察；采用ASAP 2420 型全自動比表面積及孔隙率測試儀對樣品進行比表面積測試；采用X 射線衍射儀（XRD）對樣品進行物相分析；采用Nicolet is90 型紅外光譜儀（FT-IR）對樣品進行結構分析；采用水流量平板法對樣品導熱系數進行測試；采用CMT-5504 型微機控制電子萬能試驗機進行力學性能測試；采用實驗室自行搭設的石英燈考核設備對樣品進行石英燈加熱考核實驗，樣品尺寸為210 mm×210 mm×10 mm，考核溫度為600 ℃，升溫速率為10 ℃/s，考核時間為1 800 s，熱面使用金屬板進行控溫，控溫熱電偶焊接于金屬板上，并使用高溫膠帶將測溫熱電偶粘接于樣品背面。熱加載曲線如圖1所示。

圖1 熱加載曲線Fig.1 Thermal loading curve

2 結果與分析

2.1 結構表征

圖2是玻璃纖維氈摻雜二氧化硅氣凝膠前后的宏觀形貌圖。玻璃纖維氈為玻璃纖維濕法成型的棉氈制品，色白、塊狀、柔性、可壓縮、可彎曲，密度為0.1 g/cm3，如圖2a所示。圖2b為摻入氣凝膠后的玻璃纖維氈，由圖2b 可以看出在摻入氣凝膠后，玻璃纖維氈的表面更加密實，材料密度增大到0.24 g/cm3，說明摻入氣凝膠后玻璃纖維氈仍為柔性，可進行一定程度的壓縮和彎曲。

圖2 摻入氣凝膠前后材料的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of materials before and after incorporation of aerogel

圖3是玻璃纖維氈摻雜二氧化硅氣凝膠前后的微觀形貌圖。由圖3a~b可以看出，玻璃纖維氈的結構由非連續玻璃纖維相互搭接而成，玻璃纖維直徑為0.5~2 μm，纖維之間搭接形成的大量孔隙使得材料具有較低的密度。由圖3c~d可以看出，氣凝膠顆粒填充了玻璃纖維氈中纖維與纖維之間搭接的孔隙，一方面減小了玻璃纖維氈的內部孔隙，增大了玻璃纖維氈的密度，降低了玻璃纖維氈的瞬態傳熱效應，提高了材料的短時隔熱性能；另一方面，氣凝膠顆粒的存在使得熱量在玻璃纖維氈內的固相傳遞路徑更加復雜，且阻礙了玻璃纖維氈的氣相傳熱，使得材料具有更低的熱導率。

圖3 摻入氣凝膠前后材料的SEM圖Fig.3 SEM images of materials before and after incorporation of aerogel

圖4是玻璃纖維氈摻雜二氧化硅氣凝膠前后的XRD 譜圖。由圖4 可以看出，摻入二氧化硅氣凝膠前后的XRD 譜圖相似，均在18°~30°處存在彌散的寬峰，為典型的無定型SiO2結構，說明構成玻璃纖維氈的玻璃纖維及摻入的二氧化硅氣凝膠的主要成分均為無定型二氧化硅結構。

圖4 摻入氣凝膠前后材料的XRD譜圖Fig.4 XRD patterns of materials before and after incorporation of aerogel

圖5是玻璃纖維氈摻雜二氧化硅氣凝膠前后的紅外光譜圖。從圖5 可看出，摻入氣凝膠后材料的紅外光譜沒有發生明顯變化，譜圖中1 070~1 090 cm-1和797~811 cm-1處的峰分別歸屬于Si—O—Si 鍵的反對稱伸縮振動和對稱伸縮振動。譜圖中3 200~3 450 cm-1處的峰歸屬于—OH 的伸縮振動，這可能為氣凝膠縮聚反應后殘留的少量羥基。

圖5 摻入氣凝膠前后材料的紅外光譜圖Fig.5 FT-IR spectra of materials before and after incorporation of aerogel

表1為摻入二氧化硅氣凝膠前后玻璃纖維氈的比表面積。由表1 可以看出，摻入氣凝膠前玻璃纖維氈的比表面積僅為2.4 m2/g，摻入氣凝膠后材料的比表面積增大為200.4 m2/g，表明氣凝膠的摻入使得玻璃纖維氈的比表面積大幅度增加。這主要是由于玻璃纖維氈摻入氣凝膠后，其內部的大孔被二氧化硅氣凝膠的納米顆粒填充，形成大量的納米孔隙結構，從而提高了材料的比表面積。

表1 摻入氣凝膠前后玻璃纖維氈的比表面積Table 1 Specific surface area of glass fiber felt before and after incorporation of aerogel

2.2 氣凝膠摻入對材料壓縮強度的影響

圖6是玻璃纖維氈摻雜二氧化硅氣凝膠前后不同壓縮率下材料的壓縮強度。由圖6 可知，摻入氣凝膠前后材料的壓縮強度均隨著壓縮率的增加而增大。由于玻璃纖維氈為玻璃纖維搭接結構，壓縮性能好，因此隨著壓縮率的增加，壓縮強度增大得較為緩慢。而摻入氣凝膠后，由于作為氣凝膠主要結構的固態二氧化硅納米顆粒堆積填充了玻璃纖維氈膨松的纖維搭接結構，使得材料密實度大幅增加，因此隨著壓縮率的增加，材料的壓縮強度迅速增大。在壓縮率為35%時，玻璃纖維氈的壓縮強度僅為0.05 MPa，而摻入氣凝膠后材料的壓縮強度達到0.15 MPa，壓縮強度顯著增大。玻璃纖維氈用作隔熱密封材料時，由于內部孔隙較大，導致結構的密封性能往往較差；摻入氣凝膠后，材料密實度顯著增加，同時仍保持一定的壓縮性和柔韌性，這有助于提高材料的密封隔熱性能。

圖6 摻入氣凝膠前后材料的壓縮強度Fig.6 Compressive strength of materials before and after incorporation of aerogel

2.3 氣凝膠摻入對材料熱導率的影響

圖7是玻璃纖維氈摻雜二氧化硅氣凝膠前后不同溫度下的材料熱導率。由圖7 可以看出，隨著溫度的升高，材料的熱導率逐漸增大。一方面是因為熱輻射為溫度的函數，隨著溫度的升高，輻射傳熱對材料傳熱的貢獻增大，導致材料整體的熱導率增大；另一方面是因為溫度的升高使得材料內部孔隙的氣相熱對流效應更加顯著，增強了材料內部的氣相傳熱，從而使得材料的熱導率增大。從圖7 還可以看出，玻璃纖維氈在200 ℃時熱導率為0.011 W/（m·K），而摻入二氧化硅氣凝膠后材料的熱導率僅為0.006 W/（m·K），同樣溫度下摻入二氧化硅氣凝膠后材料的熱導率顯著小于未摻入二氧化硅氣凝膠的玻璃纖維氈，當溫度為600 ℃時二者的差距更大，此時玻璃纖維氈的熱導率為0.027 W/（m·K），而摻入二氧化硅氣凝膠后材料的熱導率僅為0.015 W/（m·K），表明二氧化硅氣凝膠的摻入顯著降低了材料的熱導率。該結果與SEM、比表面積分析結果一致。

圖7 摻入氣凝膠前后材料的熱導率Fig.7 Thermal conductivity of materials before and after incorporation of aerogel

2.4 氣凝膠摻入對材料傳熱的影響

通過石英燈加熱實驗對摻入氣凝膠前后材料的隔熱性能進行考核，并以材料傳熱背面溫度作為其隔熱性能的評價指標。以圖1 的溫度-時間曲線為石英燈熱載荷加載于材料熱面，加熱1 800 s后摻入氣凝膠前后材料的背面溫升曲線如圖8所示。由圖8可以看出，隨著傳熱的進行，摻入氣凝膠前玻璃纖維氈背面的溫升較快，尤其在250 s前玻璃纖維氈背面溫度急速升高，當傳熱進行到250 s時材料背面溫度達到176 ℃；摻入氣凝膠后，與玻璃纖維氈相比，材料的背面溫度在250 s之前上升較緩，當傳熱進行到250 s時，材料背面溫度僅為87 ℃，比摻入氣凝膠前材料的背面溫度低89 ℃。此后，隨著傳熱的繼續進行，玻璃纖維氈背面溫升趨于緩慢，當傳熱進行到1 800 s 時玻璃纖維氈的最終背面溫度為228 ℃；摻入氣凝膠后材料背面溫升總體較緩，傳熱1 800 s時材料的背面溫度為177 ℃，比摻入氣凝膠前材料的背面溫度低51 ℃。氣凝膠的加入增大了玻璃纖維氈的熱沉，降低了材料的熱導率，提高了材料的隔熱性能。

3 結論

將二氧化硅氣凝膠摻入玻璃纖維氈后，材料的壓縮強度顯著增大，在壓縮率為35%時壓縮強度由0.05 MPa 增大到0.15 MPa，壓縮強度的增大使得材料在保留一定壓縮性和柔性的同時更有助于其密封隔熱。摻入氣凝膠后，材料比表面積由2.4 m2/g增大到200.4 m2/g，比表面積的增大使得材料阻熱性能增強、熱導率減??；此外，材料在200 ℃時熱導率由0.011 W/（m·K）減小為0.006 W/（m·K），600 ℃時熱導率由0.027 W/（m·K）減小為0.015 W/（m·K）。材料熱考核實驗結果顯示：摻入氣凝膠后材料的背面溫升曲線明顯變緩，傳熱250 s時材料的背面溫度僅為87 ℃，比摻入氣凝膠前低89 ℃；傳熱1 800 s時材料的背面溫度為177 ℃，比摻入氣凝膠前低51 ℃。氣凝膠的摻入使得材料的隔熱性能明顯增強，尤其在瞬時傳熱環境下該材料具有高效的隔熱能力。