SiO气凝胶力学性能的影响因素及改善方法.doc

SiO2气凝胶力学性能的影响因素及改善方法* 廖云丹1，吴会军1,2，丁云飞1,2 (1. 广州大学土木工程学院，广东 广州 510006； 2. 广州大学建筑节能研究院，广东 广州 510006) 摘 要： SiO2气凝胶的纳米多孔网络结构使其在热学、声学、光学、电学等方面具有广阔的应用前景，但气凝胶强度低和韧性差的缺点限制了其发展和应用。对SiO2气凝胶力学性能的表征方法进行了概述，综述了制备工艺参数（如溶液酸碱度、组分配比、反应温度及时间、后处理工艺、干燥工艺等）对SiO2气凝胶网络结构及力学性能影响的研究进展，并介绍了材料复合法用于改善SiO2气凝胶力学性能的研究进展。 关键词 SiO2气凝胶；力学性能；制备工艺；材料复合法 中图分类号： TB332, TU55+1.38 文献标识码：A 1 引言 SiO2气凝胶是一种由胶体粒子或高聚物分子相互交联构成的具有空间网络结构的轻质纳米多孔性非晶体固态材料[1]，因其孔隙率高、密度低、比表面积大等独特性质及其在热学、声学、光学、电学等方面的应用潜力，引起了世界各国科学工作者的浓厚兴趣，并在其制备、性能和应用等方面取得了丰硕的研究成果。然而大多数气凝胶材料的强度低、韧性小、结构不稳定，极大地限制了其发展和应用。因此，改善其SiO2气凝胶材料的力学性能成为促进气凝胶材料发展和应用的重要途径[2,3]。 提高SiO2气凝胶力学性能主要有以下两个途径：一是通过控制制备工艺，从而控制其内部网络结构，改善材料本身的力学性能；二是通过材料复合法，在气凝胶制备过程中掺入增强材料（如化学添加剂、增强纤维等），或将制得的凝胶颗粒与增强材料及粘合剂复合，经模压或浇注成型制成二次成型的复合体，使SiO2气凝胶的力学性能得到改善[4]。鉴于近年来人们通过以上两种途径改善SiO2气凝胶力学性能的研究取得了较多的成果，本文对这些研究成果和进展进行综述和评价。 2 SiO2气凝胶力学性能的表征 表征SiO2气凝胶材料力学性能的参数主要包括密度、强度、弹性和体积松弛能等。SiO2气凝胶密度从宏观上反映SiO2气凝胶的力学性能，一般而言密度越大的气凝胶抗压强度越大，但对于作为轻质材料的气凝胶材料，其密度的增大对材料在热学、电学等方面的性能是不利的。气凝胶材料的强度参数包括抗拉强度和屈服强度，多通过试样承压能力（断裂前试样最大载荷） (α=3.2~3.8) (1) 式中，ρ为气凝胶的宏观密度，标度参量α与制备条件相关。弹性模量越大材料韧性越好，而气凝胶弹性模量的数量级为106N/㎡，比玻璃态材料低4个数量级，实验表明气凝胶弹性还随外界压力增大而减小[6]。若用三点弯曲梁实验测定，材料弹性模量可由下式计算[7]： (2) 式中，S为弹性应变曲线上线性部分斜率；L为跨度；r为材料的半径。 另一个表征气凝胶力学性能的参数是体积松弛能（VRE）[7] ： (3) 式中，θ为气凝胶对水的接触角，为水的表面张力；是待测气凝胶的密度；A是材料的比表面积。体积松弛能表示气凝胶的力学稳定性，体积松弛能越大的材料力学稳定性越好。没经过增强处理的纯SiO2气凝胶的体积松弛能一般不超过17 J/cm3。 3 制备工艺参数对SiO2气凝胶力学性能的影响 SiO2气凝胶独特的网络结构及高孔隙率是其在力学、热学、电学等方面具有独特性能的主要原因，也是其脆性大、强度低的主要原因。一方面，孔隙率越高的气凝胶网络骨架承受的应力也越大；另一方面，气孔孔径分布越不均匀，孔间的毛细管压力差也就越大，凝胶在干燥过程中也就越容易变形破裂。微孔中因气液相界面表面张力产生的附加压力可用拉普拉斯方程描述[8]： (4) 式中：