一种形状自适应气凝胶材料在限域空间的装配方法及应用与流程

本发明属于纳米多孔材料，涉及一种形状自适应气凝胶材料的装配方法，尤其涉及一种形状自适应气凝胶材料在限域空间的装配方法及应用。

背景技术：

1、气凝胶是一类由纳米颗粒组成的三维纳米多孔结构材料，这一结构使其具有低密度、高孔隙率、高比表面积等特点以及随之而来的低热导率、低介电常数和低声传播速率等优异性能，在航空航天、空间探测、阻燃隔热、建筑、工业等领域具有广阔的应用前景。当前，具有各种功能特性、各种更优化性能指标的气凝胶材料已被广泛制备出来，然而，在最终使用前存在一个无法忽视的实际问题，气凝胶材料往往需要在限域空间下(如狭窄缝隙、复杂型面、不规则形状、固定框架等处)装配好，才能投入使用。尤其是，在气凝胶材料进行工程化应用时，为了提高构件批量化制备效率，往往采用模块化装配策略，即先将各种框架结构批量制作出来，然后再将气凝胶材料填充进去。

2、当前的主流方法是根据待装配框架结构的尺寸要求，对气凝胶材料进行机械加工，得到尺寸匹配的气凝胶填充体进行装配，但是仍然存在以下问题：(1)加工的精度控制困难，需要费时费力的复杂加工工艺，且型面贴合度相对较差；(2)某些气凝胶材料力学强度较弱，无法进行机加；(3)某些待装配区域在整体装置内部，由于操作空间过小过深，气凝胶填充体难以精准放入指定位置。自适应智能材料是一种完备的智能体系，它不仅能接受和响应外部的信息，而且能自动改变自身状态，以适应外部环境变化。形状记忆材料就是一种具有形状自回复功能的智能材料，无论将该材料进行压缩、拉伸或弯曲成何种复杂形状，只要一经加热，又能回复到原来的初始形状，利用这一原理，形状记忆合金材料可以使大型钢管间的结合更加精密和牢固。形状记忆气凝胶材料由于其智能化、轻质、多功能特性，近年来开始引起了人们的关注。

3、中国专利申请cn108212032a报道了一种双酚a型环氧树脂形状记忆气凝胶材料的制备，中国专利申请cn110229307a报道了一种hec/cnc/聚多异氰酸酯形状记忆气凝胶的制备，中国专利申请cn112844255a报道了一种基于聚乙烯醇的形状记忆气凝胶智能材料体系的制备，这些形状记忆气凝胶在高分子玻璃化转换温度以上施加力学作用会发生变形，待冷却后移除力学作用，此形变能暂时保存下来，一旦再次升温到玻璃化转换温度以上，形状能恢复到起始状态。然而，这些报道的形状记忆材料存在以下问题(1)耐温性差，有氧环境不超过250℃，限制了在高温下的应用；(2)形变方式复杂，加热后才能施压形变，保压下冷却后才能卸压；(3)恢复程度可控性不理想，玻璃化转变温度以上就完全恢复，无法通过控制温度实行形变恢复的控制；(4)更严重的是，尚未提供在限域空间下进行自适应性材料装配的工艺方案。

4、因此，亟需提供一种利用形状自适应性气凝胶材料在狭窄缝隙、复杂型面、不规则形状、固定框架等限域空间下能快速高效紧密贴合的装配方法，进一步推动气凝胶材料的实际应用进程。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的一个或者多个技术问题，本发明提供了一种形状自适应气凝胶材料在限域空间的装配方法及应用。本发明提供的装配方法具有操作简单、可实施性强，非常适用于在狭窄缝隙、复杂型面、不规则形状、结构内部等施工困难处进行气凝胶材料快速装配，而且同样适用于结构脆弱、无法进行机加的气凝胶材料的高效装配。本发明所述装配方法在航空航天、国防军事、高能物理、建筑、工业等领域具有广阔的应用前景，将极大推动气凝胶材料的实际应用进程。

2、本发明在第一方面提供了一种形状自适应气凝胶材料在限域空间的装配方法，所述装配方法包括如下步骤：

3、(1)通过对待装配的限域空间和形状自适应气凝胶材料进行对比分析，确定形状自适应气凝胶材料的变形量；

4、(2)按照确定的变形量对形状自适应气凝胶材料进行预变形，得到尺寸小于待装配的限域空间的尺寸的预变形气凝胶材料；

5、(3)将预变形气凝胶材料放入待装配的限域空间的内部，然后通过热刺激的方式驱动预变形气凝胶材料发生形状恢复，从而使形状自适应气凝胶材料装配在限域空间中。

6、优选地，所述形状自适应气凝胶材料为具有形状记忆功能的氧化硅气凝胶材料、氧化铝气凝胶材料、氧化锆气凝胶材料或氧化钛气凝胶材料；所述形状自适应气凝胶材料具有由纳米颗粒连续串接而成的类纤维结构；所述形状自适应气凝胶材料的密度为0.004～0.025g/cm3；所述形状自适应气凝胶材料的预变形方式为：在室温下对形状自适应气凝胶材料进行力学作用；所述形状自适应气凝胶材料的变形量为1％～95％；所述形状自适应气凝胶材料的形状恢复程度根据热刺激温度高度可控；所述形状自适应气凝胶材料的形状恢复率为30％～100％；和/或所述形状自适应性气凝胶材料具有耐高温、光学透明、高隔热的特点。

7、优选地，在步骤(1)中：通过目视法、直尺测量法、光学拍照法、红外成像法或计算机断层扫描法对待装配的限域空间和形状自适应气凝胶材料进行对比分析；和/或所述形状自适应气凝胶材料的变形量为待装配的限域空间的平均尺寸的5％～80％。

8、优选地，通过万能试验机、机械压机、冲压机、直接手动压缩/拉伸中的任意一种或者多种方式的组合对形状自适应气凝胶材料进行预变形。

9、优选地，进行预变形的方向为形状自适应气凝胶材料的x轴方向、y轴方向、z轴方向中的一个或者多个。

10、优选地，所述形状自适应气凝胶材料的预变形方式为：在室温下对形状自适应气凝胶材料进行力学作用；进行力学作用的大小为所述形状自适应气凝胶材料的破裂强度的10％～50％，和/或所述形状自适应气凝胶材料的预变形的速率为1％～20％变形量/分钟。

11、优选地，在步骤(3)中：所述热刺激的方式为：通过烘箱加热方式对内部放入有预变形气凝胶材料的限域空间进行整体加热，或者通过移动式电热枪加热、红外辐射加热、微波加热中的一种或多种方式对内部放入有预变形气凝胶材料的限域空间进行局部加热。

12、优选地，所述热刺激的温度为50～800℃；所述热刺激的时间为10min～6h；和/或在通过热刺激的方式驱动预变形气凝胶材料发生形状恢复，从而使形状自适应气凝胶材料装配在限域空间中后，所述形状自适应气凝胶材料与限域空间的型面紧密程度为0.5～10μm。

13、本发明在第二方面提供了由本发明在第一方面所述的装配方法在狭窄缝隙、复杂型面、不规则形状待装配件、金属框架或结构内部中进行气凝胶材料的装配的应用。

14、本发明在第三方面提供了由本发明在第一方面所述的装配方法在制备气凝胶夹层玻璃中的应用。

15、本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：

16、(1)本发明采用的形状自适应气凝胶材料是具有形状记忆功能的氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钛等无机气凝胶材料，微观形貌是由纳米颗粒连续串接而成的类纤维结构，且气凝胶材料的密度在0.004～0.025g/cm3；本发明所采用的形状自适应气凝胶材料具有由纳米颗粒连接而成的类纤维形貌，本发明首次发现，由纳米颗粒连接而成的类纤维这一独特形貌，既不同于纳米颗粒堆积的离散结构，也不同于长纳米纤维的连续结构，这种独特的结构一方面使得其不仅克服了常规气凝胶在压缩过程的易碎问题，能在室温下进行力学作用即可实现大形变，也使其在撤力后不会立刻回弹回去，而能以临时变形的形状稳定存在，得到预变形气凝胶材料；另一方面使得弹性类纤维在压缩过程中可以将能量存储起来，并在加热刺激后释放能量，使预变形气凝胶材料的形状发生恢复。本发明意外发现具有由纳米颗粒连接而成的类纤维这一独特形貌的气凝胶材料能够赋予气凝胶的形状记忆功能特性(形状自适应特性)，并首次提供了利用该类形状自适应性气凝胶材料在狭窄缝隙、复杂型面、不规则形状、固定框架等限域空间下能快速高效紧密贴合的装配方法，进一步推动了气凝胶材料的实际应用进程。

17、(2)本发明采用的形状自适应气凝胶材料与现有其它技术制备的气凝胶材料相比，本发明的形状自适应气凝胶材料具有耐高温、形变量大、形变过程简单、形变恢复程度高度可控、光学透明、高隔热等优点。

18、(3)本发明提供的形状自适应气凝胶材料在限域空间的装配方法，是通过对气凝胶进行力学作用达到一定程度的预变形，使气凝胶的尺寸小于待装配的限域空间的尺寸，然后将预变形的气凝胶放入到限域空间中，最后采用不同温度的热刺激使气凝胶的形态进行按需重构，从而紧密贴合在待装配部位。

19、(4)本发明提供的形状自适应气凝胶材料在限域空间的装配方法，具有操作简单、可实施性强的优点，非常适用于在狭窄缝隙、复杂型面、不规则形状、结构内部等施工困难处进行气凝胶材料的装配，所得型面贴合紧密牢固，将极大推动气凝胶材料的实际应用进程。

20、(5)本发明提供的形状自适应气凝胶材料在限域空间的装配方法，也同样适用于结构脆弱、无法进行机加的气凝胶材料(例如结构脆弱、无法进行机加的功能型气凝胶材料)在限域空间上的装配，且尤为适合在批量制备工艺中提高装配效率，例如将本发明中的装配方法应用在气凝胶夹层玻璃的批量制备中，在节能减排领域将做出巨大贡献。