纳米纤维隔热材料在航空航天领域的应用研究

纳米纤维隔热材料在航空航天领域的应用研究

张锐 田冠宇 白琪俊 罗珊

贵州航天乌江机电设备有限责任公司 563000

【摘要】伴随当下科学技术的进步，我国对航空航天领域的探索步伐逐渐加快。各类型探测器作为探索宇宙奥秘的重要契机，成为当下航空航天领域研究重要。受大气环境的影响，航空航天设备材料需要具有一定的耐高温性能，这也就使得当下气凝胶隔热材料成为行业研究重点。纳米纤维隔热材料作为当下气凝胶隔热材料的最新研究进展，文章就纳米纤维隔热材料进行分析，并对其在航空航天领域中的应用进行研究。

【关键词】纳米纤维隔热材料 气凝胶隔热 航空航天

航空航天设备受环境因素的影响，其需要对设备隔热性能进行提升。为保障设备飞行质量，气凝胶作为设备使用最广泛材料，需要不断就的气凝胶隔热材料进行研发与应用，进而保障设备运行稳定性，阻隔外部高温对内部高端仪器的影响。

一、二维纳米纤维膜个人材料

二维纳米纤维膜材料纤维直径较小，且堆积厚度可控，同时具有孔隙率高的优势，其能够在狭小空间内发挥隔热性能。一般来讲纳米纤维膜隔热材料可分为高分子纳米纤维膜与碳纳米纤维膜与陶瓷纳米纤维膜三种类型。

1.1高分子纳米纤维

高分子纳米纤维孔隙率高、力学性能良好，属于质量较高且应用广泛的隔热材料。经过相关实验对比，与微米颗粒、微米颗粒纳米纤维复合物相比，高分子纳米纤维具有的更高的导热性能。这主要是由于纳米纤维较高的孔隙率与曲折网孔通道所实现的，曲折网孔通道延长了空气分子在材料内部的传输路径，空气中的热量在传播中不断损耗，这也就有效的降低了材料的导热性能。同时通过浸渍改性技术能够将纳米颗粒包裹于纳米纤维表面，表面颗粒材料能够讲笑纤维膜孔径，对降低热对流具有重要作用，但高分子纳米纤维材料在高温环境中结构容易受到破坏，无法满足航空航天应用需求。

1.2碳纳米纤维

碳纳米纤维材料表面积较大、孔隙率高、化学稳定性好，其在航空航天中的应用前景较好。在对碳纳米纤维进行的研究的过程中，研究人员不断就探碳纤维膜材料的制备进行研究，利用聚丙烯睛、聚甲基丙烯酸甲醋等作为碳源进行研究，研究表明，伴随聚甲基丙烯酸甲醋含量的增长，纤维膜孔体积不断增加，这也就有利于导热系数的降低。此类研究的丰富彰显着研究人员对碳纳米纤维材料的研究，结果表明，伴随石墨化程度的提升，碳纤维膜材料耐高温性能够逐渐增长，但其隔热性能无法有效保持，这也就使得碳纳米纤维材料的应用具有限制性。

1.3陶瓷纳米纤维

陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、绝缘性好等优点，在高温隔热、吸音、催化等领域具有广泛的应用。然而，现有大部分陶瓷纳米纤维具有脆性大、力学性能差、不耐弯折等缺陷，限制了其实际使用。

二、三维纳米纤维气凝胶隔热材料

二维纳米纤维具备一定的隔热性能，但其在厚度方向难以增加，这也就限制着纳米纤维材料在大功率发动机隔热材料中的应用，相较于二维材料，三维纳米气凝胶材料具有尺寸可控、孔隙率高、孔隙曲折程度高等优点，因而在隔热、保暖、吸音等领域均具有广阔的应用前景。目前，常见的纳米纤维气凝胶隔热材料主要包括高分子纳米纤维气凝胶和陶瓷纳米纤维气凝胶两种。

2.1高分子纳米纤维气凝胶

现有气凝胶材料主要面临两个问题:(1)力学性能差、脆性大；(2)制备过程耗时长、溶剂消耗量大。研究人员利用具有高弹性模量、高强度、低密度的纤维素纳米晶为构筑基元，通过凝胶、超临界干燥方法制备了具有良好透明性、力学性能的纤维素纳米晶气凝胶。该气凝胶可弯曲至180°而不发生破坏，同时其在大形变(80%)下压缩后仍能回复且最大应力大于200kPa。传统的二氧化硅纳米颗粒气凝胶及碳气凝胶的相对模量与相对密度呈现2-3.6次方关系，而纤维素纳米晶气凝胶相对模量与相对密度呈线性关系，说明纤维素纳米晶气凝胶的力学性能对密度的依赖性更低，这主要是纤维素纳米晶内部均匀、可控的微区取向结构导致的。此外，纤维素纳米晶还展现出了优异的隔热性能，气凝胶的导热系数随体积密度的增加呈现出先减小后增大的态势，这主要是由于纤维素纳米晶具有极小的孔径(30nm)和超高孔隙率，因此可减少热对流与热传导，从而使材料的导热系数比空气还小。高分子纳米纤维虽然具有众多优势，但是其高温稳定性差的问题使其在高温隔热方面的应用受到了巨大的限制。

2.2陶瓷纳米纤维气凝胶

陶瓷气凝胶材料具有优异的耐高温、耐腐蚀及隔热性能，是航空航天飞行器热防护的主要材料之一。现在使用的气凝胶隔热材料主要为陶瓷纤维增强的二氧化硅纳米颗粒气凝胶，由于纳米颗粒与陶瓷纤维间相互作用弱，导致材料在使用过程中纳米颗粒易脱落，从而使材料的结构稳定性和隔热性能大幅下降。为了解决上述问题，研究人员以柔性陶瓷纳米纤维为构筑基元，利用原创的三维纤维网络重构方法，构筑了超轻质、超弹性陶瓷纳米纤维气凝胶材料。通过选取铝硼硅溶胶作为高温钻结剂，将柔性二氧化硅纳米纤维进行均质分散并与铝硼硅进行混合形成稳定、均匀的纳米纤维分散液，随后经过冷冻成形、冷冻干燥、高温锻烧形成仅含陶瓷组分的纳米纤维气凝胶材料。该气凝胶材料具有类似蜂巢的网孔结构，每个网孔中纤维相互缠结粘结，形成稳定的纤维网络，赋予了气凝胶良好的结构稳定性。同时，该材料还具有良好的耐高温和隔热性能。结果表明，陶瓷纳米纤维气凝胶具有的超高孔隙率为空气分子传输提供了“无限长”的路径，从而使热空气分子被禁锢在气凝胶孔隙中，减少了热对流；同时，构成气凝胶的基体材料为二氧化硅，具有较低的本体导热系数，因而热传导较少，最终使材料具有优异的隔热性能。

三、总结与展望

二维纳米纤维材料因具有孔径小、孔隙率高等特点，具有良好的隔热性能，在导弹电池隔热套、冲压发动机等狭小空间的高效隔热领域具有广泛的应用前景。三维纳米纤维气凝胶材料具有超高孔隙率、可控形状与尺寸以及可调多级网孔结构，可潜在应用于飞行器发动机梯度隔热、舱室隔热保暖等领域。

【参考文献】

[1]宋一龙,赵芳,李志尊,程兆刚.纤维隔热材料研究进展[J].化工新型材料,2021,49(04):62-66.

[2]田响宇,韩银龙,周粮,吴琼,尚磊,高庆福,张博.重复使用对纤维增强SiO_2气凝胶材料隔热性能的影响[J].耐火材料,2021,55(02):116-120.

[3]吴海华,任超群,王俊,陈奎,刘丽芳.结构型隔热材料研究现状及发展趋势[J].化工新型材料,2020,48(01):6-9+14.

[4]王世界,王斌,吕桂英,陈凯阳,巩志伟,詹学武,马成良.纳米SiO_2粉体基隔热材料的混合和成型方法研究进展[J].材料导报,2018,32(S2):506-510.