行业领域

新材料产业,制造业

需求背景

气凝胶/纤维复合材料的研究在纳米技术推动下取得了一系列的突破。首先，当纤维细化到纳米级后，其性能明显优于微米或更粗级别直径的纤维，体现在：①纤维可获得一定的柔性，柔性的增加将使气凝胶/纤维复合材料获得一定的曲面贴合和折叠性能，从而提高其重复利用率；②纤维自身存在裂纹的几率降低，使得纤维强度接近于理论断裂强度，从而提高了气凝胶/纤维复合材料的加工性能；③纤维表面粗糙度增加，进而直接提升纤维网络的疏水性，变相降低了气凝胶/纤维复合材料的导热系数。因此，为了获得具有柔性好、导热系数低、机械强度高的气凝胶/纤维复合材料，将纤维直径细化到纳米尺度的机理研究是非常必要的。此外，通过气凝胶的溶胶凝胶工艺，将气凝胶纳米颗粒原位生长在纤维表面和纤维之间，在纤维三维网络结构中引入多级纳米孔隙，进而提高气凝胶/纤维复合材料孔隙率，改善其隔热性能，实现掌握气凝胶/纤维复合材料构效关系机理。因此，结构设计和可控合成高性能气凝胶/纤维复合材料对于研发柔性、高强、低导热系数的新型隔热材料来说具有重要意义。

需解决的主要技术难题

（1）纤维三维网络构建调控的困难：首选选定绿色经济的气凝胶硅源和粘结剂碳源的聚合物单体，并形成含有均质分散纳米纤维的前驱体分散液，再经过溶胶凝胶、老化、冷冻成型、冷冻干燥工艺，前驱体的分子结构/形态及三者之间的物理化学作用，前驱液中的纳米纤维被不断生长的层状冰晶排挤开，使得纳米纤维聚集在层状冰晶之间，能否构筑出纳米纤维相互缠绕、紧密堆叠的蜂窝状纤维三维网络胞腔结构，成为最终气凝胶/纳米纤维复合材料的纤维三维网络结构否稳定、纳米纤维和纳米颗粒是否分布均匀、体积密度是否可控可调和柔性压缩回弹性是否增强的关键。

      （2）复合纳米颗粒缺陷控制上的不足：纳米纤维表面和之间引入气凝胶纳米颗粒构筑多级纳米孔隙结构可进一步提升复合材料的比表面积和孔隙率，但气凝胶前驱体的官能团种类和数量、主链结构及分子量，以及气凝胶纳米颗粒的负载量都会造成复合材料脆性增大、机械性能变差等缺陷的出现，而且气凝胶纳米颗粒负载量越大越容易在纤维表面发生团聚，导致纳米颗粒/纳米纤维复合材料有效比表面积下降，从而导致其隔热性能下降。因此，需要解决的关键问题是如何在保证气凝胶纳米颗粒高负载量的同时，减少纳米颗粒在纤维表面的团聚，并且不对复合材料柔性和隔热性能产生巨大影响。

（3）多级纳米孔隙设计和调控上的挑战：多级纳米孔隙结构的设计和调控需要精确控制孔隙演变过程中热力学和动力学相关的参数，虽然构建蜂窝状纤维三维网络胞腔结构、原位粘结生长和纤维纳米细化三者相结合的方法为我们提供了很好的思路，但实现气凝胶纳米颗粒/纳米纤维复合材料中的多级纳米孔隙结构可控可调演变的仍缺乏有效的理论指导。

期望实现的主要技术目标

（1）建立绿色环保、经济实用、简单高效制备气凝胶/纳米纤维复合材料的新工艺，阐明蜂窝状纤维三维网络胞腔结构的可控构建机制，分别优化蜂窝状纤维三维网络胞腔结构调控、聚合物前驱液配制、冷冻成型干燥过程中关键工艺参数，实现气凝胶纳米颗粒/纳米纤维复合材料中蜂窝状纤维三维网络胞腔结构的可控可调，获得体积密度和形态结构可控、缺陷密度低、柔性好的SiO₂气凝胶/超细玻璃纤维纳米复合材料。

（2）在目标（1）的基础上，通过引入纳米碳层粘结剂，使得纳米纤维和气凝胶纳米颗粒通过碳层粘结剂的交联作用均匀紧密复合在一起，实现气凝胶纳米颗粒在纤维表面不发生团聚，纳米颗粒/纳米纤维复合材料在使用过程中纳米颗粒不容易发生脱落，同时复合材料比表面积、疏水性能和吸附性能均大幅度提高，进而阐明纤维-碳层-颗粒三者之间的交联作用机理。

（3）在目标（2）的基础上，通过气凝胶纳米颗粒在纳米纤维表面和之间的原位粘结生长，在蜂窝状纤维三维网络胞腔结构中构建多级纳米孔隙，通过优化多级纳米孔隙结构演变过程中关键热动力学特征变量，实现量化表征可控构建与综合性能之间的构效关系，进而阐明制备工艺-构建机制-隔热机理之间的关系规律，最终为实现SiO₂气凝胶/超细玻璃纤维纳米复合材料产业化奠定基础。