氮化硼气凝胶是一类以固体为骨架、气体为分散介质的, 具有三维多孔网络结构的新型纳米材料, 展现出高比表面积、高孔隙率、低密度等优异的性能。此外, 相比于石墨烯气凝胶, 氮化硼气凝胶拥有更好的绝缘性、抗氧化性、热稳定性和化学稳定性, 因此它在气体吸附、催化、污水净化、导热/隔热等领域极具应用前景。本文结合国内外研究现状, 重点介绍了硬模板法、软模板法、低维氮化硼组装法和无模板法制备氮化硼气凝胶的结构和性能特点, 总结了其在关键领域的重要应用, 并对其未来发展方向进行了展望。

硅系气凝胶是目前研究理论最为完善、合成技术最为成熟的气凝胶材料。本工作分别以四乙氧基硅烷(TEOS)、甲基三甲氧基硅烷(MTMS)、MTMS与二甲基二甲氧基硅烷(DMDMS)混合硅源、乙烯基甲基二甲氧基硅烷(VMDMS)为前驱体, 制备了不同种类的硅系气凝胶。所制得的硅系气凝胶具有较高的比表面积, 并呈现出纳米多孔的网络结构。本研究详细探讨了前驱体结构对气凝胶的力学及热学性能的影响。结果表明, 硅系气凝胶的骨架结构交联度越低, 弹性性能越好; 同时, 引入有机碳氢链会进一步提升气凝胶的弹性性能。所制备的硅系气凝胶兼具良好的保温隔热性能, 常温热导率在0.032~0.041 W/(m·K)范围内, 热重损失随着骨架结构内有机组分的增多而增大。这些优良的力学及热学性能使硅系气凝胶在保温隔热、储能等领域均具有广阔的应用前景。

氧化铝气凝胶是一种高孔隙率、低密度、高比表面积、耐高温和低热导的纳米多孔材料, 在高温隔热领域(如航天飞行器热防护系统、工业窑炉保温材料等)具有广阔的应用前景。但是, 纯氧化铝气凝胶因耐温性(1000 ℃以上)、力学性能和高温隔热性能相对较差难以直接应用, 需要引入增强相和遮光组分制备成气凝胶复合材料以进行改善。本文对耐高温氧化铝气凝胶的制备、氧化铝气凝胶隔热复合材料的制备及性能等方面的最新研究进展进行了综述。研究人员通过原位掺杂改性、沉积改性、有机链和炭涂层改性等方法提高了氧化铝气凝胶的热稳定性。在氧化铝气凝胶中引入晶须、颗粒、多孔骨架和纤维等增强相, 能够大幅提高其力学性能; 纤维和遮光剂的协同作用, 能够提高氧化铝气凝胶抑制红外辐射的能力, 显著降低高温热导率。本文还提出了后续的研究方向：对氧化铝气凝胶的密度、微观结构进行精细调控, 再引入合适的异质元素和遮光剂,以进一步提高气凝胶的热稳定性和复合材料的隔热性能;深入研究复合材料在高温下结构和性能的演化, 以及氧化铝气凝胶和增强相之间的相互作用。作为一种新型的隔热材料, 氧化铝气凝胶复合材料将在高温隔热领域发挥其优势并逐步实现广泛应用。

基于变形协调关系及均强度理论, 定量计算了硫化镍相变体积膨胀对玻璃的挤压应力、因硫化镍和玻璃热膨胀系数不匹配导致的内应力及以上两者协同作用下导致的硫化镍颗粒周边的局部集中应力的影响, 分析了硫化镍直径、玻璃局部强度及环境温度对钢化玻璃自爆的影响, 确定了引发钢化玻璃自爆的硫化镍颗粒的临界直径。研究结果表明: 硫化镍颗粒周边的周向集中应力(拉应力)是导致钢化玻璃自爆的根本原因。随着硫化镍直径的增大, 其周向应力也增大, 但不呈线性关系, 当颗粒直径小于0.2 mm时, 其周向应力迅速降低, 而当颗粒直径大于0.5 mm时, 其周向应力增大幅度变缓。随着钢化玻璃表面应力的增大, 引发自爆风险的硫化镍临界直径逐渐减小, 直径小于0.1 mm的硫化镍很难引发钢化玻璃自爆。周向应力与环境温度升高呈线性增长趋势, 且大颗粒尺寸的硫化镍周向应力增长速率更快。

在诸如风致飞射物撞击等刚体冲击作用下, 建筑夹层玻璃因自身脆性特征极易破坏。针对这个问题提出了在刚体冲击下夹层玻璃破坏状态的预测方法, 综合考虑了玻璃构型、中间胶层、支撑条件及尺寸等多种设计参数。首先针对多类夹层玻璃进行往复刚体冲击试验, 建立567组PVB及210组SGP的两种不同中间胶层的夹层玻璃试验数据库; 随后基于鲸鱼优化下的核极限学习机(WOA-KELM)机器学习算法, 建立夹层玻璃破坏状态的预测模型, 并与支持向量机(Support Vector Machine, SVM)及最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vector Machine, LSSVM)建立的相应预测模型进行对比分析。结果表明, WOA-KELM模型破坏状态预测精度达88.45%, 能较好地预测夹层玻璃的破坏, 满足工程应用的需求, 且预测模型精度及实时性均优于其他模型。