低密度SiO2及其復合氣凝膠的制備與特性研究.pdf

1、二氧化硅(SiO2)及其復合氣凝膠以其高孔隙率、高比表面積和低密度等特性廣泛應用于慣性約束聚變(ICF)研究中。ICF靶要求氣凝膠材料具有好的加工成型性能、高的環(huán)境穩(wěn)定性及結構與密度均勻等特性。但是低密度氣凝膠目前在制備過程中，普遍存在著溶膠-凝膠過程難于控制、材料強度低、易塌陷、難于成型以及微觀結構不均勻等技術難題。
　　本論文在較為系統(tǒng)地研究溶膠-凝膠動力學過程和低密度SiO2及其復合氣凝膠的制備工藝的基礎上，成功制備出密度1

2、.8mg/cm3～200mg/cm3的SiO2氣凝膠及其復合氣凝膠塊體材料，并已在ICF實驗研究中得到成功地應用。
　　通過對TEOS-乙醇體系凝膠化過程的動力學特性分析發(fā)現，凝膠化過程主要受反應物濃度即氣凝膠目標密度的控制，隨著反應物濃度的降低，體系的凝膠化時間呈指數增加，當氣凝膠目標密度低于10mg/cm3時，體系無法凝膠。在以正硅酸乙酯(TEOS)為硅前驅體的乙醇-水為溶劑體系時，無法獲得密度低于3 mg/cm3的SiO2氣

3、凝膠材料。通過合成新型硅前驅體，并優(yōu)化溶劑體系，即以多聚籠形烷氧基硅氧烷與八甲氧基六面體倍半硅氧烷(OMOPOSS)為前驅體，以N'N-二甲基甲酰胺(DMF)、乙腈和二甲基亞砜(DMSO)為溶劑體系，成功地制備出密度低于3mg/cm3的SiO2氣凝膠材料。吸附特性及微觀結構分析表明，不同前驅體制備的氣凝膠具有類似的規(guī)律，即隨著密度的降低，樣品的比表面積呈現先增加后下降然后趨于穩(wěn)定的趨勢。氣凝膠的孔徑大部分小于50nm，主要分布在10～2

4、0nm間，具有典型的中孔特征。
　　為提高氣凝膠的生產效率和成品率，經一系列探索，開發(fā)出了一套低密度氣凝膠快速制備工藝，使制備SiO2氣凝膠的時間周期縮短至傳統(tǒng)工藝的1/10。
　　在低密度SiO2氣凝膠加工成型性能研究方面，著重探討了后處理法、原位共凝膠法等工藝參數對成品氣凝膠微觀結構、形貌及性能等的影響。采用凝膠后處理法和原位共凝膠法實現了氣凝膠的表面疏水改性和機械力學性能改性。在后處理工藝中采用六甲基二硅胺烷為疏水改性

5、試劑，對凝膠進行了表面處理，使產品氣凝膠的抗潮解性能大為提高;而在原位共凝膠改性中，以甲基三乙氧基硅烷和TEOS作為混合前驅體，經一系列實驗，成功制備出具有較高機械力學性能和環(huán)境穩(wěn)定性的SiO2氣凝膠材料。動態(tài)熱機械性能分析結果表明，經過改性后的氣凝膠材料由原來的彈脆性材料逐漸轉變?yōu)閺椝苄圆牧?。上述兩種改性技術途徑所制備的氣凝膠均具有較強的疏水特性，與水的接觸角超過130°，最高可達151°，在濕度大于80％，溫度為50℃的條件下，氣凝

6、膠受潮氣的影響甚微，環(huán)境穩(wěn)定壽命可達60天以上，其環(huán)境儲存穩(wěn)定性和加工特性已基本達到ICF實驗用靶的需求。
　　在SiO2摻雜復合氣凝膠方面，著重開展了金屬粒子摻雜、金屬氧化物及金屬硫化物摻雜復合氣凝膠的制備工藝、結構與性能等研究?；诜N子原位還原技術，探討了Au在SiO2溶膠顆粒表面原位還原形成摻金SiO2凝膠的機理及摻雜氣凝膠的性能，首次成功制備出納米Au摻雜的SiO2氣凝膠，Au摻雜重量百分比可達2.7％～4.2％;通過納米

7、粒子粘合法及二次凝膠化技術獲得了摻雜量可達80 wt％以上Cu摻雜復合氣凝膠;采用廣義兩步法和共水解法成功制備出復合均勻的GeO2/SiO2、Ta2O5/SiO2復合氣凝膠，產品GeO2/SiO2氣凝膠的典型密度為3～30mg/cm3，Ta2O5/SiO2密度為30～150mg/cm3;以常壓單源化學氣相沉積法開展了SiO2氣凝膠表面硫化鎘(CdS)薄膜沉積技術研究，成功地在氣凝膠內外表面分別制備出CdS涂層，內外表面的CdS涂層具有同