Ultrahigh-strength carbon aerogels for high temperature thermal insulation

材料科学 碳化 气凝胶 复合材料 抗压强度 碳纤维 纳米孔 抗弯强度 保温 多孔性 脆性 化学工程 纳米技术 扫描电子显微镜 复合数 工程类 图层(电子)
作者
Kede Wu,Qi Zhou,Junxiang Cao,Zhen Qian,Bo Niu,Donghui Long
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:609: 667-675 被引量:63
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2021.11.067
摘要

Carbon aerogels with nanoporous structure are attractive for thermal insulation under extreme conditions, but their practical applications are usually plagued by the inherent brittleness and easy-oxidation characteristic at high temperature. Herein, silica-modified carbon aerogels (SCAs) with extraordinarily high strength are prepared via a facile sol-gel polymerization of phenolic resin and siloxane, followed by ambient pressure drying and carbonization. The resulting SCAs possess medium-high density of ∼0.5 g·cm-3 and mesoporous structure with the mean pore size of 33 nm. During carbonization process, the siloxane could be gradually transformed into the amorphous SiO2 particles and crystalline SiC particles, which are coated on the surface of carbon nanoparticle and consequently improve the oxidation-resistance of carbon aerogels. Due to the density-porosity trade-off, the SCAs have high compressive strength of 10.0 MPa and satisfied thermal conductivities of 0.118 W·m-1·K-1 at 25 °C and 0.263 W·m-1·K-1 at 1000 °C. Furthermore, needled carbon fiber-reinforced SCAs (CF-SCAs) with ultrahigh compressive strength of 210.5 MPa are prepared, which exhibit good thermal conductivities of 0.207 W·m-1·K-1 at 25 °C and 0.407 W·m-1·K-1 at 1000 °C. The ultrahigh mechanical strength, good oxidation-resistance, good thermal insulation as well as the facile preparation make the SACs great promising in high-temperature insulations especially under harsh conditions.
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