氧化锆纤维表面二氧化钛异质结构的构建及热稳定性的研究开题报告

附表 2 山东建筑大学毕业论文开题报告表山东建筑大学毕业论文开题报告表 班级 材料 151 姓名 蒲江涛 论文题目 氧化锆纤维表面二氧化钛异质结构的构建及热稳定性的研究氧化锆纤维表面二氧化钛异质结构的构建及热稳定性的研究 一 选题背景和意义 纤维隔热材料由于具有低密度 低成本 高效隔热等特点 一直得到建筑 工业以及国防等领域的青睐 但是纤维隔热材料本身对于辐射电磁波具有低 反射 高透射的特点 因为这个特点导致其高温隔热性能降低 为了提高隔热 性能 我们从热传递的基本物理过程来分析 分别有三种影响热传递的方式 热传导 热辐射 对流 热传导 thermal conduction 是介质内无宏观运动时 的传热现象 其在固体 液体和气体中均可发生 但严格而言 只有在固体中 才是纯粹的热传导 而流体即使处于静止状态 其中也会由于温度梯度所造成 的密度差而产生自然对流 因此 在流体中热对流与热传导同时发生 热辐射是 物体由于具有温度而辐射电磁波的现象 一切温度高于绝对零度的物体都能产 生热辐射 温度愈高 辐射出的总能量就愈大 短波成分也愈多 热辐射的光 谱是连续谱 波长覆盖范围理论上可从 0 直至 一般的热辐射主要靠波长较 长的可见光和红外线传播 由于电磁波的传播无需任何介质 所以热辐射是在 真空中唯一的传热方式 热对流 thermal convection heat convection 又称对 流传热 指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程 而 ZrO2和 TiO2 在真空环境和高温环境应用下热传导的主要方式是红外热辐射 所以关键问题 就是如何有效阻隔红外热辐射来继续提高 ZrO2 TiO2 纤维隔热性能 利用在 ZrO2纤维上构建高折率增反膜来提高纤维的反射率从而提升纤维的 抗热辐射性 可以采用溶胶 凝胶提拉法制备 TiO2 薄膜以及在 ZrO2纤维上利 用水热法构建 TiO2薄膜 相比之下水热法制备的薄膜均匀性更好 此外水热法 制备的薄膜厚度可控 通过改变水热温度和时间来调控 氧化锆 ZrO2 和氧化钛 TiO2 由于其优异的性能目前己应用在化工 隔热 航空航天 催化和冶金等领域 是两种非常重要的材料 其中 ZrO2晶体纤维 是最先进的耐高温隔热用晶体纤维材料 相比于氧化铝 莫来石 石英等氧化物 纤维和碳 碳化硅 氮化硼等非氧化物纤维 其具有理论上更高的熔点 更低的 导热系数 更低的饱和蒸汽压 抗氧化和更耐酸碱腐蚀等优异的物理化学特性 是一种优异的保温保冷材料 二氧化钛 TiO2 薄膜是一种折射率较高 对紫 外光线超强吸收 对可见光线和近红外光线高透射的光学薄膜 具有良好的耐 空间辐照的特点 在传统分层介质减反射膜系和新型折射率渐变薄膜结构中具 有不能代替的优点 TiO2还是一种价格低 性能好 无害无污染的半导体材料 具有很强的光催化降解特性 ZrO2纤维的研制和产业化 所研发的 ZrO2纤维广泛应用于航天器隔热瓦 耐高温晶体炉等高温隔热领域 同时所研制的 ZrO2纤维纸可作为间隔材料应用 在超低温液体 如液化天然气 LNG 存储的高真空多层绝热领域 TiO2是一种 多晶型金属氧化物 存在金红石型 锐钛矿型 板钛矿型 由于具有较好的化学 稳定性 较高的光催化活性 价廉易得等优点 TiO2被广泛应用在紫外线屏蔽 灭菌 光催化废水处理 汽车面漆开发 功能陶瓷 气敏传感器等多个领域 其中金红石型 TiO2 因晶格较小而紧密 较高的硬度 密度 介电常数 遮盖 力和着色力也较高 对光的反射 散射能力较强 其纳米粉在红外热反射型材料 领域备受欢迎 来达到隔热效果 已广泛应用在建筑保温 汽车玻璃等隔热领域 而 TiO2纤维具有易回收 再生及可重复使用的优点 以及在制备过程和使用过 程都不会产生二次污染 可以解决 TiO2纳米粉回收难的矛盾 我们发现 TiO2纤 维可作为隔热纤维用于隔热领域 如应用在气凝胶领域 一方面可作为气凝胶的 增强材料 另一方面对气凝胶在高温下的热辐射具有抑制作用 可作为红外遮光 剂 目前针对 ZrO2 TiO2纤维的制备技术己经比较成熟 但是在应用过程中还 存在着隔热性能有待提升的问题 因此为解决隔热性能 实现节能 必须从传热 机制为切入点来提高材料的隔热性能 二 课题关键问题及难点 1 关键问题 氧化锆纤维表面构建二氧化钛异质结构以及对其热稳定性的影响 在 ZrO2纤维上通过溶胶 凝胶提拉法制备 TiO2薄膜 以及在 ZrO2纤维上利用 一步水热法构建纳米 TiO2薄膜 通过控制反应温度和反应时间来调控薄膜形貌 研究薄膜的力学稳定性与热稳定性 分析薄膜在高温下的微观结构变化 并探 究薄膜结构对热稳定性能的影响 2 难点 a 溶胶一凝胶法是一种将金属醇盐或无机盐经水解形成溶胶 然后再将溶质通 过聚合凝胶化 干燥和焙烧得到无机材料的方法 该方法与其他薄膜制备方法 相比 具有化学均匀性好 颗粒细 纯度高和操作简单等优点 但是该工艺程 序复杂 薄膜厚度和均匀性难于控制 b 水热法是一种在密闭容器内完成的湿化学方法 与溶胶凝胶法 共沉淀法等 其他湿化学方法的主要区别在于温度和压力 水热法通常使用的温度在 130 250 之间 相应的水的蒸汽压是 0 3 4MPa 与溶胶凝胶法和共沉淀法 相比 其最大优点是一般不需高温烧结即可直接得到结晶粉末 避免了可能形 成微粒硬团聚 也省去了研磨及由此带来的杂质 水热法需要高温高压步骤 使其对生产设备的依赖性比较强 三 调研报告 或文献综述 1 国内外研究进展 因为 TiO2优异的光催化性能 在污染物废水及空气净化方面引起了国内外研 究者的广泛关注 早期的研究主要集中在悬浮体系即 TiO2粉末上 但是目前悬 浮相 TiO2光催化剂在水中容易凝聚 失活 且使光的穿透力受阻 特别是处理后 的光催化剂分离与回收的难题已经成为这项技术能否工业化的关键 近年来 TiO2薄膜光催化剂的使用为解决这一难题提供了一条很好的途径 成为目前光催 化技术的研究热点 在研究辐射传热在纤维隔热中的作为传递方式时 研究者发现纤维直径能够 影响纤维的热辐射性能 1 3 Tong 等人 4 基于双通量分析模型研究了纤维直径对 硅酸盐纤维材料辐射热导率的影响 发现当高纯二氧化硅纤维和硅酸盐纤维的直 径分别为 2 8 和 3 2 时 其辐射热导率最小 Arambakam 等人 5 基于红外透过率 通过使用离散坐标法 DOM 分析了纤维直径对辐射传热的影响 他们发现在 340 750K 温度范围内 当纤维的直径为 3 10Lam 时的辐射热导率最小 然后他 们通过建立相关模型来研究纤维材料对有效热导率的影响 并预测在 300K 的温 度下 矿物棉纤维和玻璃纤维的最佳绝热纤维直径分别是 5pm 和 7Mm 6 在研 宄隔热纤维在辐射传热基础理论中 Verschoor 等人 7 还发现耐火材料的密度也会 对辐射传热产生影响 在低压环境下测试了玻纤耐火材料在不同密度 8 0 134 6kg m3 下的有效热导率 发现当密度为 74 5kg m3 时 其辐射传热比较小 但 是当纤维密度减少为 8 0kg m3 时辐射传热比较大 辐射传热对整个热传递的贡献与纤维的材料的光学性能有关 纤维的光学性 能可以通过在纤维表面覆盖高折射率材料来改变 从而有效降低辐射传热 8 9 为 提高纤维的抗辐射效果 1969 年的国际热物理会议上 Gnmert 等人 9 提出了 Opacified Fibrous Insulations 的理念 即在纤维隔热材料中 随机分散一定数量 的高反射金属颗粒或薄片 reflective metallic particles or flakes 目的是避免多层隔 热结构的高度各向异性 同时也降低了纤维材料的辐射传热 早期研究 10 表明通 过在纤维表面生长高折射率涂层能够减少其辐射传热 这种高折射率介质涂层 能够增加纤维材料对红外线的反射和散射 降低辐射传热 1989 年 Tong 等人 11 在不同直径 2 5 10pm 石英纤维表面涂覆不同厚度的硅薄膜 并计算和测试了薄 膜的光学参数和抗辐射性能 结果显示在纤维上涂覆鞋薄膜能够显著减少福射传 热 并且厚度为 0 3pm 的薄膜要比厚度为 0 2pm 的抗辐射性能好 在特定的纤维数 量密度下 薄膜对热辐射的减少量最大能达到 75 当体积和密度一定时 薄膜对 热辐射的减少量最大可达 63 1997 年美国 NASA Langley Research Center 的 Hass 等人 12 利用溶胶 凝胶浸涂工艺在 Saffil 氧化铝纤维表面镀上 Ti02 Si02 nS 层薄膜 使得纤维表面红外透过率下降 Yang 等人 13 14 利用溶胶 凝胶法和逐 层吸附法在 SiO2 纤维表面得到 Ag 薄膜 并且证明能够薄膜能够降低红外透过率 并且随着热处理温度的升高 薄膜致密度增加 导致抗辐射效果越明显 2012 年 Yang 等人 15 结合溶胶浸渍工艺和溶剂热法在莫来石纤维表面生长纳米薄膜 并 可通过原料浓度控制薄膜的厚度 通过 FTIR 光谱测得 TiO2薄膜能降低其纤维的 红外透过率 测试结果显示在 3 6pm 的红外光区域 表面涂覆 TiO2薄膜纤维的有 效消光系数比表面未经处理的莫来石纤维提高了 2 4 倍 2015 年 Xu 等人 16 将 莫来石纤维浸泡在聚碳硅烷 PCS 后热处理 在纤维表面获得一层 SiC 薄膜 将表 面涂覆 SiC 的莫来石纤维作为 Al2O3 SiO2气凝胶的增强材料 发现纤维表面涂覆 的 SiC 能够增大气凝胶的红外消光系数 降低了辐射传热 提高了气凝胶的隔热性 能 测得 1000 C 的热导率为 0 049W m K 研宄表明 SiO2 Y2O3 CeO2 SnO2 等也已经被证明可以用于做反射层 17 这种方式是直接通过薄膜材料本身对红外 波段的反射和散射来降低辐射传热 2015 年 Kodaira 等人 18 通过控制纤维的取 向性来提高反射率 将包含纳米直径氧化铝纤维的铝溶胶与氨水混合 通过氨水的 作用获得高反射高绝热的多层介孔隔热薄膜 能够广泛应用于高温和低温下 2018 年 Yang 等人 19 利用溶胶 凝胶法和逐层吸附法在纤维表面获得 TiO2涂层 得出当被涂覆 TiO2重量百分比为 5 7wt 时 辐射热导率可以降低 43 2 研究现状分析 近一二十年内 通过在纤维表面覆盖高折射率材料来反射和散射红外线 是现 阶段减少纤维辐射传热的最主要途径 在纤维表面成膜制备方法中 溶胶 凝胶浸 溃提拉法是一种工艺简单 成本较低的制膜方法 被广泛应用于各研究领域 如 Uddin 等人 20 通过溶胶 凝胶浸溃法在棉纤维表面沉积 Au TiO2复合薄膜来提高 纤维的自清洁能力 Luo 等人 21 通过溶胶 凝胶浸溃提拉法在 Au 纤维表面镀 TiO2薄膜来提高纤维材料的光催化稳定性 溶胶 凝胶浸溃法制备薄膜是通过提 拉 干燥 热处理三步来完成的 Brinker 等人 22 对溶胶 凝胶浸涂工艺过程进 行了动力学研究 理论证明在提拉涂膜工艺中 薄膜的厚度与溶剂的粘度 提拉速 度等有关 Lukas 等人 23 认为相同材料的平面固体表面要比圆柱形的纤维材料 更容易润湿 他还提出了纤维束浸渍提拉模型 结果显示纤维束表面涂膜厚度与纤 维束的根数 纤维的直径呈反比 与液体的表面张力呈正比 虽然这种方法操作 简单方便 但是也存在以下几个问题 首先 在纤维表面边缘往往会形成类似 于地壳形貌的结构 这是由于在提拉过程中纤维表面过多的溶胶在热处理的过 程中会流向纤维的边缘 造成纤维的质量和密度增加 降低了其抗辐射能力 其 次 由于重力的影响 在提拉的过程中容易造成纤维顶端的涂层厚度要小于末端的 涂层厚度 也就是说 通过溶胶 凝胶浸渍提拉法会导致提拉的不均匀性 进而影响 辐射性能 最后 也是最严重的问题 由于溶胶的粘性 在一束纤维提拉的过程中 会产生交联现象 在后续热处理过程中 纤维容易出现黏粘在一起的现象 导致隔 热效果降低 图 1 利用溶胶 凝胶法在 ZrO2纤维表面 TiO2薄膜制备工艺流程 水热法是指一种在密封的压力容器中 以水作为溶剂 粉体经溶解和再结 晶的制备材料的方法 相对于其他粉体制备方法 水热法制得的粉体具有晶粒 发育完整 粒度小 且分布均匀 颗粒团聚较轻 可使用较为便宜的原料 易 得到合适的化学计量物和晶形等优点 尤其是水热法制备陶瓷粉体毋需高温煅 烧处理 避免了煅烧过程中造成的晶粒长大 缺陷形成和杂质引入 因此所制 得的粉体具有较高的烧结活性 与溶胶凝胶法和共沉淀法相比 其最大优点是 一般不需高温烧结即可直接得到结晶粉末 避免了可能形成微粒硬团聚 也省 去了研磨及由此带来的杂质 水热过程中通过调节反应条件可控制纳米微粒的 晶体结构 结晶形态与晶粒纯度 既可以制备单组分微小单晶体 又可制备双 组分或多组分的特殊化合物粉末 可制备金属 氧化物和复合氧化物等粉体材 料 所得粉体材料的粒度范围通常为 0 1 m 至几微米 有些可以达到几十纳米 相对于气相法和固相法水热与溶剂热的低温 等压 溶液条件 有利于生长缺 陷极少 取向好的晶体 且合成产物结晶度高以及易于控制产物晶体的粒度 所得到的粉末纯度高 分散性好 均匀 分布窄 无团聚 晶型好 形状可控 利于环境净化等 水热法的不足是水热法一般只能制备氧化物粉体 关于晶核 形成过程和晶体生长过程影响因素的控制等很多方面缺乏深入研究 还没有得 到令人满意的结论 水热法需要高温高压步骤 使其对生产设备的依赖性比较 强 这也影响和阻碍了水热法的发展 因此 水热法有向低温低压发展的趋势 即温度低于 100 压力接近 1 个标准大气压的水热条件 24 3 研究目标 本论文根据红外反射材料的反射原理 针对 ZrO2 TiO2纤维材料 拟通过改 变物相结构 电子结构以及晶格取向来提高材料对红外线的反射和散射能力 通过 探究其热辐射规律 致力于探索高反射 低热导隔热材料的制备 实现节能从而带 来良好的社会效益和经济效益 4 研究思路 探究 ZrO2纤维的微观结构对热辐射性能影响 通过在 ZrO2纤维上构建增反 膜以及稀土掺杂增加 ZrO2纤维的载流子浓度等方法来提高 ZrO2纤维的红外抗 辐射性 并利用漫反射 DRS 和红外光谱 FTIR 等手段 探宄薄膜的抗热辐射性能 探究不同掺杂浓度对纤维结构 热辐射性能的影响 5 参考文献 1 N L Mckay T Timusk B Famworth Determination of optical properties of fibrous therm al insulation J Appl Phys 1984 55 4064 4071 2 P W Gibson C Lee F Ko D Reneker Application of nanofiber technology to nonwoven ther mal insulation J Eng Fiber Fabr 2007 2 32 40 3 M A Tahir H V Tafreshi S A Hosseini B Pourdeyhimi Modeling the roleofmicrostructural par ameters in radiative heat transfer tiirough disordered fibrousmedia Int J Heat Mass Transf 2 010 53 4629 4637 4 T Tong C Tien Radiative heat transfer in fibrous insulations Part I analytical study J Hea tTransf 1983 105 70 75 5 R Arambakaxn H V Tafreshi B Pourdeyhimi Dual scale 3 Dapproach for modeling radiative heat transfer in fibrous insulations Int J Heat Mass Transf 2013 64 1109 1117 6 R Arambakam H V Tafreshi B Pourdeyhimi Modeling performance of multicomponen fibro usinsulations against conductive and radiative heat transfer Int J Heat Mass Transf 2014 71 341 348 7 J D Verschoor P Greebler NJ Manville Heat transfer by gas conduction and radiation in f ibrous insulation J Heat Transfer 1952 74 961 968 8 R Siegel C M Spuckler Refractive index effects on radiation in an absorbing emitting ands cattering laminated layer J Heat Transfer 1993 115 194 200 9 R Siegel C M Spuckler Effect of index of refraction on radiation characteristics in aheated absorbing emitting and scattering layer J Heat Transfer 1992 114 781 784 10 T W Tong P S Swathi G R Cunnington Examination of the radiative propeties of coated silica fibers J Build Phys 1987 11 7 31 11 T W Tong P S Swathi G R Cunnington Reduction of radiative heatransfer in thermal insul ations by use of dielectric coated fibers HeatMass Transfer 1989 16 851 860 12 D D Hass B D Prasad D E Glass K E Wiedemanm Reflective coating on fibrous insulati on for reduced heat transfer NASA Contractor Report 1997 201733 13 L L Yang D D Ge H Wei F He X D He Morphology and characterization of ITO Ag ITO films on fibers by layer by layer method Appl Surf Sci 2009 255 8197 8201 14 L L Yang X D He F He ITO coated quartz fibers forheat radiative applications Mater Le tt 2008 62 4539 4541 15 J X Yang Y W Zhang Z L Hong R H Ma D Zhang X T Wang C C Sun ZJ Hu Preparations o fTiO2 nanocrystalcoating layers with various morphologies on Mullite fibers for infraredopa cifier application Thin Solid Films 2012 520 2651 2655 16 L Xu Y G Jiang J Z Feng J Feng C W Yue Infrared opacified Al2O3 SiO2 aerogel composite sreinforced by SiC coated mullite fibers for thermal insulations Ceram Int 2015 437 442 17 E Celik E Avci Y S Hascicek High temperature Sol gel insulation coatings for HTS ma gnets and their ahesion properties Physica C 2000 340 193 202 18 T Kodaira Y Suzuki N Nagai G Matsuda A highly photoreflective and eat insulating l umina ilm omposed fcked esoporous ayers n ierarchical tructure Adv ater 2015 27 901 5905 19 J M ang J u R ang Y iang rediction nd ptimization fadiative hermal properties of TiO2 ass embled fibrous insulations Int J HeatMass Transfer 2018 117 729 739 20 M J Uddin F Cesano D Scarano F Bonino G Agostini Cottontextile fibres coated by Au Ti O2 films synthesis characterization and selfcleaning properties J hotochemistry Photobiology A 2008 199 64 72 21 L Luo L Miao S Tanemura M Tanemura Photocatalytic sterilization of TiO2 films coated