文 献 综 述

1、研究背景

随着经济社会发展，能源与环境已成为全球性问题，隔热保温技术可以有效的减少生产过程中的热量损失，达到节能减排的目的。在航空航天领域，新型高超声速飞行器在大气层中飞行时会产生严重的气动加热，为了保障人员的安全、设备的正常运行，必须在飞行器表面敷设轻质、耐高温、高性能隔热材料，如美国X-37B空天飞机所采用的轻质防隔热材料在有氧环境中的瞬时耐温性可达1500℃以上，长时耐温性可达1200℃以上。而我国尚无类似产品，轻质耐高温隔热材料已成为制约我国航空航天科技发展的瓶颈之一。

作为一种纳米多孔材料，气凝胶具有连续3维纳米多孔网络结构（如图1所示），赋予其低密度、高比表面积、大孔隙率等特性，其独特的网络结构可以有效限制热量传输 ^[1-4]，如图2所示，气凝胶的纳米孔和三维网络结构可以有效抑制气体分子的对流传热的传热和固体热传导。而且气凝胶的网络结构（孔结构）可以通过溶胶-凝胶工艺调控^{[5, 6]}，是一种理想的高性能隔热材料，其室温热导率可低至0.018W/(m#8729;K)以下^[7]，大大优于传统隔热材料。

图1 气凝胶3维网络结构示意图 图2 不同隔热材料热传热机制示意图

目前研究最多最成熟，且已经产业化应用的是SiO₂气凝胶，但是SiO₂气凝胶结构稳定性差，长期使用温度一般不超过650#730;C，650℃以上其网络结构逐渐坍塌，超过900#730;C孔结构彻底消失，如图3所示。Al₂O₃和ZrO₂气凝胶被认为应当比SiO₂气凝胶具有更好的结构稳定性，但其固体骨架在高温下的晶体化、晶相转变和晶体生长会破坏气凝胶的网络结构，这种现象甚至会出现在气凝胶最初的制备过程中，导致难以获得完整的块状Al₂O₃和ZrO₂气凝胶材料^{[8, 9]}。Li^[10]和Zhang等^[11]分别采用SiO₂包覆的方法改善ZrO₂和Al₂O₃气凝胶的结构稳定性，但改性后气凝胶的耐温性也不超过1000#730;C，而且其1000#730;C热导率高达0.18W/(m#183;K)。炭气凝胶具有卓越的结构稳定性，但其在有氧环境耐温性一般不超过400#730;C^{[12, 13]}。

图3 SiO₂气凝胶形貌和微观结构（SEM照片）随温度的变化

综上所述，现有的气凝胶隔热材料很难满足航空航天等领域对耐温性的需求，亟需研发新型高性能、耐高温气凝胶隔热材料。SiC具有良好的高温和化学稳定性，SiC产品在空气中的结构稳定性可达1500#730;C以上^[14，15]。将气凝胶的结构特性与SiC的优良性能相结合，有望开发出一种新型耐高温、高性能SiC气凝胶隔热材料。

2.碳化硅气凝胶国内外研究现状