Construction and Properties of Ultralow Thermal Conductivity and High Strength Zirconia Aerogel Composites by Freeze-Drying

材料科学 气凝胶 复合材料 热导率 立方氧化锆 抗压强度 保温 热稳定性 超临界干燥 多孔性 化学工程 陶瓷 冶金 图层(电子) 工程类
作者
Ziyi Qin,Zhenlin Jiang,Lan Zhou,Wenjun Wang,Zhu Min,Jiapeng Chen,Baoxiu Wang,Chaosheng Wang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (44): 61026-61035 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsami.4c13860
摘要

Zirconia aerogels possess significant applications, including their use catalyst carriers, thermal insulation materials, and thermal barrier coatings. This is due to their ultrahigh temperature resistance, high porosity, and low thermal conductivity. Nonetheless, the inherent challenges associated with ZrO2 aerogels, such as high brittleness, low compressive strength, and inadequate formability, restrict their potential applications. In this paper, with ultralow thermal conductivity and high strength zirconia aerogel composites with inorganic zirconium salt zirconium carbonate as the raw material, acetic acid as the solvent, polyvinylpyrrolidone (PVP) as the viscosity builder to stabilize the structure of the aerogel during the freeze-drying process. Additionally, yttrium nitrate hexahydrate (Y(NO3)3·6H2O) is employed as a phase stabilizer. The sol–gel method, in conjunction with the freeze-drying process, is utilized to fabricate ZrO2 aerogel composites with an optimized microstructure. The findings indicate that optimal process parameters are achieved with a PVP solution concentration of 2.0 wt % and a zirconium carbonate concentration of 20 wt %. The mechanical properties of the resulting composites reach up to 550 kPa, while the thermal insulation performance exhibits a temperature difference of 207 °C/cm and a thermal conductivity of 0.0504 W/(m·K). This advancement addresses the mechanical stability issues commonly associated with traditional ceramic aerogels and widely used elastic insulating materials, thereby enhancing their applicability as thermal insulation and heat preservation materials.
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