先驱体法梯度折射率陶瓷微球的制备及红外阻隔机理研究

Modifying the microscopic structure to achieve efficient thermal radiation shielding and developing a new and efficient infrared insulation material is an important way to improve thermal insulation properties of materials at high temperature, when the radiative heat transfer dominates. In this research we proposed to investigate ceramic microspheres with a gradient refractive index structure via precursor method. The microspheres with highly active anti-infrared radiation at high temperature can be obtained, and they will get unique optical and high temperature resistance properties. The particles could be adopted as opacifiers to improve high temperature insulating performance of aerogel. We will investigate the main factors on the gradient structure and established crystallization kinetics model by adjusting the reactants ratio, the aging and pyrolysis process parameters, the microspheres size, the distribution of composition gradient, and the crystallization process. The relationship between the gradient structure of the microspheres and the opacifying performance will be established though testing the opacifying capability of the microspheres, and the infrared insulation mechanism will be further studied. Then, the interfacial interaction between the microspheres and aerogel matrix will be also studied to explore the mechanism of high temperature insulation of the composites. The research provided a theoretical basis for the optimal design of structure and performance of infrared insulation materials. Meanwhile, the research gained an important theoretical significance to improve the high-temperature thermal insulating performance of aerogel.

高温下辐射传热在材料内部传热中占很大比例，发展新型高效红外阻隔材料，通过微观尺度上对材料结构的调控，实现高效阻隔辐射传热，是提高材料高温隔热性能的重要途径。本项目采用先驱体转化法获得具有梯度折射率结构的陶瓷微球，利用其特有的光学性质实现高效抗红外辐射；并将其作为气凝胶的遮光剂，提高气凝胶高温隔热性能。重点探索梯度折射率微珠的颗粒尺寸、组成分布、梯度结构形式等在微观尺度上的调控技术，探讨梯度折射率微珠的微观结构形成过程、演变规律及其析晶动力学，建立微珠的梯度结构形式与其遮光性能之间的联系，分析其红外阻隔机理并构建遮光剂阻隔红外辐射特性预测模型。在此基础上探索梯度结构微珠对气凝胶复合材料的高温性能的影响规律，研究其界面耦合机制和高温隔热机制。本项目的研究为梯度折射率介质的构建及其红外阻隔机制提供理论基础，同时对开发高效红外阻隔材料，提高气凝胶等材料的高温隔热性能具有重要理论和实践意义。

高温下辐射传热在材料内部传热中占很大比例，发展新型高效红外阻隔材料，通过微观尺度上对材料结构的调控，实现高效阻隔辐射传热，对提高材料高温隔热性能具有重要意义。本项目采用先驱体法获得具有梯度折射率结构的陶瓷微球，利用其特有的光学性质实现高效抗红外辐射；并将其作为气凝胶的遮光剂，提高气凝胶的隔热性能。重点探索梯度折射率微珠的颗粒尺寸、组成分布、梯度结构形式等在微观尺度上的调控技术，探讨梯度折射率微珠的微观结构形成过程、演变规律及其析晶动力学，建立微珠的结构与其遮光性能之间的联系，分析其红外阻隔机理。（1）采用液相单组份陶瓷先驱体聚硅氧烷、聚硅氮烷等为原料，利用先驱体转化法和乳液法相结合的技术制备Si-O-C、SiC/Si3N4陶瓷微球。通过调控固化时间、固化温度和热解温度，研究了微球的形成过程及红外遮光性能的影响因素。结果表明，固化温度为200℃，固化时间为10h时获得的陶瓷微球表面光滑度好，平均粒径为0.6-0.7μm，最大有效消光系数值为40.7m2/kg。（2）采用液相双组分陶瓷先驱体制备了平均粒径为0.7-0.8μm的SiCN@TiO2、SiCN@ZrO2核壳结构陶瓷微球，其热解产物为TiO2、SiC和Si3N4晶相组成。当陶瓷微球添加量为15wt%时，得到有效消光系数为50.7m2/kg，且微球热稳定性良好。（3）采用液固双组分先驱体法制备SiO2@SiCN、SiNC@TiO2核壳结构陶瓷微球。结果表明，经硅烷偶联剂对纳米粒子表面进行改性后，通过调控纳米粉含量、固化温度和热解温度，制得了保持完整球形形貌的SiO2@SiCN、SiNC@TiO2陶瓷微球，有效消光系数值约为51.4m2/kg。表明，TiO2@SiO2核壳结构微球由于改变了光线的传播途径，在一定程度上比均质微球增加了光散射效率；微球的添加有效的降低了气凝胶复合材料的室温、高温热导率，明显地提高了其隔热效果。本项目的研究为梯度折射率介质构建提供了新的思路，为红外遮光剂的发展提供了有益的借鉴和指导。