Structure and morphology evolution of silica-modified pseudoboehmite aerogels during heat treatment

Versatile Thermal‐Solidifying Direct‐Write Assembly towards Heat‐Resistant 3D‐Printed Ceramic Aerogels for Thermal Insulation

“…The PTS2 sample shows the interplanar spacing of 0.248 nm for the (101) lattice planes of rutile nanocrystalline, [ 29 ] which is consistent with the crystal parameters of rutile (Figure S5a, Supporting Information). The PAS2 sample displays the interplanar spacing of 0.197 nm for the (131) lattice planes of boehmite nanorods, [ 30 ] which corresponds to the crystal data of boehmite (Figure S5b, Supporting Information).…”

“…The high SSA value and high SSA retention rate of 3D‐printed silica aerogels (Figure 6g) are comparable to those of conventional silica, alumina, titania aerogels, and their composite aerogels. [ 30,36–39 ]…”

“…The high SSA value and high SSA retention rate of 3D-printed silica aerogels (Figure 6g) are comparable to those of conventional silica, alumina, titania aerogels, and their composite aerogels. [30,[36][37][38][39] Owing to some degree of sintering between adjacent particles during the heat treatment process, the neck zone in the skeleton of ceramic aerogels was rendered wider, which results in the formation of a reinforced network assembled by nanoparticles in the 3D-printed ceramic aerogels. As shown in Figure 6c, the compressive failure strengths of PS2 aerogels raise with the increase of calcination temperature.…”

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

“…Xu 等 [69] 以聚碳硅烷溶液浸渍莫来石纤维，经 高温裂解工艺在纤维表面制备了碳化硅涂层(图 除了机械分散或纤维改性的方法，采用原位掺 杂方式能够在氧化铝气凝胶中引入纳米尺度的遮光 剂 [58,70] 。朱召贤等 [58] [7] ； 气凝胶颗粒形貌对热稳定性有显著影响 [18] 。因此， 尽量采用简单工艺，对氧化铝气凝胶的骨架、微观 形貌进行精细调控， 再引入适当异质元素 (如硅) ， 是提高其热稳定性的有效措施，有待进一步研究。 2)氧化铝气凝胶复合材料的隔热性能优化。目 前，氧化铝气凝胶复合材料在整个温度范围的热导 率仍然相对偏高。首先需要进一步调控氧化铝气凝 胶的密度、颗粒尺寸/形貌，使其具有合适的密度和 小的孔径，以进一步降低复合材料的气态热导率。 另一方面，需要采用更为简单、高效的方法，将合 适种类、尺寸和含量的遮光剂均匀引入至氧化铝气 凝胶复合材料中，以进一步降低高温热导率。…”

“…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，是阻 碍其在高温隔热领域实际应用的主要瓶颈。 自 2008 年以来，研究人员先后发展了多种耐高温氧化铝气凝胶，并在氧化铝气凝胶中引入力学增强相 和红外遮光剂，在提高氧化铝气凝胶耐温性、力学性能和高温隔热性能等三方面开展了大量的研究工作， 本文对近年来这三方面的研究工作进行了详细总结，对存在的问题进行了分析，并对后续的研究方向提出 了展望。 1 耐高温氧化铝气凝胶制备 如图 1 所示，氧化铝气凝胶的制备过程一般包 括溶胶-凝胶、 老化、 溶剂置换和干燥四个环节 [16][17] 。 用于制备氧化铝溶胶的先驱体主要包括铝醇盐 [5][6][18][19] 、无机铝盐 [13,[20][21][22] 、勃姆石粉 [20] 或勃姆石溶胶 [23][24] 。铝醇盐或无机铝盐通过水解反应形成具有 Al-OH 的中间体，中间体通过 Al-OH 的缩合反应 生成含 Al-O-Al 的溶胶颗粒，颗粒间发生交联和团 簇，进一步生成三维网络结构并形成凝胶。铝醇盐 活性很高，极易水解和缩聚，制备过程难以控制， 通常需要加入螯合剂(乙酰乙酸乙酯、乙酰丙酮等 [6,18] )形成具有 Al-O-C 的螯合物以降低其反应活 性；无机铝盐在水溶液中以水合离子形式存在，通 过环氧化物的开环反应，消耗氢离子使 pH 缓慢上 升， 生成 Al-OH 并逐步缩聚反应形成三维网络结构 [13] ；勃姆石溶胶则是通过颗粒的絮凝作用形成凝胶 [24] 。在老化过程中，凝胶网络结构的完整性和强度 进一步提高；凝胶孔隙内的水和其它副产物需要通 过溶剂置换进行清除。为了避免凝胶孔内溶剂在干 燥过程中产生毛细管力引起气凝胶的收缩、开裂和 孔结构的破坏，通常采用超临界态的乙醇 [14,[25][26][27][28][29] 或 二氧化碳 [13,30] 作为介质实现凝胶的干燥。相对于超 临界干燥工艺，冷冻干燥和常压干燥工艺制备的气 凝胶收缩更大，但成本更低，也获得了关注和研究 [31][32][33] ，通常将这两种干燥方式得到的产物分别称为 图 1 氧化铝气凝胶的制备过程(R 代表烷氧基，X 代表氯离子等阴离子) Fig.1 Preparation of alumina aerogels (R refers to the alkoxyl group and X refers to the anion such as Cl -) 氧化铝干凝胶、冻凝胶。 氧化铝气凝胶一般为拟薄水铝石或者勃姆石晶 相，随着温度升高会逐渐发生脱水→过渡相氧化铝 →α 相氧化铝的转变过程。构成氧化铝气凝胶三维 网络结构的颗粒一般为纳米尺度， 具有很高的活性， 在 1000 ℃以上开始发生显著的颗粒烧结和相变…”