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成型压力对纳米氧化硅隔热材料孔结构的影响

来源:河南省万博登录行业协会 时间:2017-12-21 浏览数:

纳米氧化硅粉是一种无定形态纳米粉末,这种无定形态的纳米粉实际是由SiO4四面体不规则堆积而成的聚集体,通常包括SiO4四面体、由SiO4四面体形成的球形原生粒子(5~50 nm)、由原生粒子通过化学键或毛细表面作用力形成的硬团聚体(100~500nm)以及进一步团聚而成的软团聚体(>1 μm4 个层级结构。由于存在尺寸差别较大的软、硬团聚体以及原生粒子,导致了纳米氧化硅粉中三级孔洞结构的存在:(1)第一级孔洞:硬团聚体内部孔洞,即组成硬团聚体的原生粒子之间的孔洞,尺寸范围<50nm;(2)第二级孔洞:硬团聚体之间孔洞,或软团聚体内部孔洞,尺寸范围为50~500 nm;(3)第三级孔洞:软团聚体之间的孔洞,尺寸范围>500 nm。从图1 自然堆积的纳米氧化硅粉孔径分布可以看出,孔洞尺寸涵盖了三级孔洞所有的范围。

1 自然堆积的纳米氧化硅粉体孔径分布

由于纳米粉的硬团聚体是由固体桥力、化学键作用力以及氢键作用力等原因产生的,其结构比较稳定,不易被破坏;而软团聚体则是粉体表面的原子、分子之间的范德华力和静电效应所导致,在机械加工的过程中容易被破坏。因此,压力所造成的影响应首先是破坏了软团聚体之间的第三级孔洞;随着压力的进一步增大,当压力大于分子间库仑力或者范德华力时,第二级孔洞将逐渐被破坏;而当压力所产生的能量大于氢键或者化学键能量时,第一级孔洞才有可能被破坏。

有研究结果表明:随着成型压力的增大,纳米氧化硅隔热材料内的第2级和第3级孔洞结构可相继被破坏,而硬团聚体形成的第1级孔洞结构则不会发生破坏,这间接导致了材料隔热性能的变化;当成型压力为4MPa 时,在不同温度下,纳米氧化硅隔热材料均可获得最低的导热系数。(郑州大学高温材料研究所 王世界)