热防护服是保护消防员或高温作业人员免受各种热伤害的重要防护装备,其性能优劣直接关系到人员的生命安全与健康。目前市场上通用的热防护面料存在质地厚重、穿着闷热、运动灵活性差等问题,严重影响从业人员的工作效率,甚至危及生命安全。因此,研究轻质、防护性能良好的新型热防护面料迫在眉睫。然而,研究表明热防护面料的热防护性与轻质舒适性指标之间相互制约,如何在满足热防护性要求基础上,提升服装面料的轻质舒适性至为关键。常规的面料及其结构设计已然无法满足这一要求,研究轻质且低导热的新型服装面料是解决这一问题的重要途径,而SiO_2气凝胶则是其中的典型代表。然而,SiO_2气凝胶存在内部凝胶骨架强度低、连续性差等缺陷,导致材料宏观力学性能差、脆性大,在外应力作用下甚至易发生结构崩塌等问题,极大地限制其在热防护服装面料的应用。本文以研究轻质且防护性能良好的新型热防护材料替换原有隔热里层材料为研究目的。首先,围绕弹性SiO_2复合气凝胶的研制这一目标,以PTFE和SiO_2气凝胶为基本构筑单元,制备出可应用于热防护面料隔热层的PTFE/SiO_2复合气凝胶;其次,结合结构设计,以兼具良好力学性能和隔热性能的PTFE/SiO_2复合气凝胶替代热防护面料隔热里层,探索织物组合及外层水分含量等对气凝胶防护面料热防护性能的影响规律。最后,基于数值模拟的方法,建立包含气凝胶材料的多层织物热传递模型,阐述了材料内部的热传递机制。论文主要研究内容及成果如下:(1)SiO_2气凝胶块体隔热材料的制备及其性能研究。以传统方法制备的SiO_2气凝胶,以粉末或颗粒状存在,难以成型,不仅力学性能较差,还需经历繁琐冗长的表面改性和溶剂交换过程,耗费资源,危害环境。为解决这一问题,论文以水玻璃(Water-glass)、甲基三甲氧基硅烷(MTMS)为共前驱体,去离子水为溶剂STM2457溶解度,通过酸碱催化、溶胶凝胶及冷冻干燥过程成功制备块状的SiO_2气凝胶。通过对硅源摩尔比的调控,实现了SiO_2气凝胶微观结构的可控制备,阐明了材料微观结构与隔热及力学性能的构效关系。结果表明,制备的SiO_2气凝胶密度最低为0.0549 g/cm~3,孔隙率最高为97.50%,导热系数最低可至0.0154 W/m·K。此外,该材料在60%压缩应变下可承受0.007 MPa应力不产生结构损坏,如进一步增大压缩应变,出现明显的结构坍塌和掉粉现象,一定程度上限制了其在热防护面料中应用。(2)PTFE/SiO_2复合气凝胶隔热材料的溶胶凝胶法制备和性能研究。纯SiO_2气凝胶材料虽然具备较好的隔热性能及一定的压缩回复性,但依然存在易碎掉粉问题,无法直接应用于热防护面料。因此,论文以柔软的PTFE材料为基本构筑单元,与SiO_2溶胶复合,采用溶胶凝胶技术结合冷冻干燥和高温固化的方式制备出具有稳定双网络结构的PTFE/SiO_2复合气凝胶(PHSiO_2)。通过PTFE的高温粘合作用在PTFE网络和SiO_2气凝胶网络之间构筑了稳定的物理连接,实现了复合气凝胶良好的结构稳定性。通过对复合气凝胶的微观结构调控和优化设计,获得了良好柔韧性和隔热性的双网络气凝胶隔热材料。结果表明,该材料在60%的压缩应变下可承受0.0492 MPa应力而不发生结构崩塌,抗压缩性能是纯SiO_2气凝胶的7.03倍,该气凝胶的密度为0.0807 g/cm~3,孔隙率为96.32%,导热系数为0.0360 W/m·K,可作为热防护面料的隔热层,与传统的多层组合面料相比,其平衡温度降低3.09%。然而,该材料仅经历10次耐疲劳测试的塑性形变为13.02%,在热防护面料中的长期稳定使用性能有待进一步提高。(3)PTFE/SiO_2复合气凝胶隔热材料的结构优化和应用研究。为了延长复合气凝胶材料的耐久性,并提升热防护面料的轻质舒适性,以MTMS作为硅源前驱体与PTFE复合,基于冷冻成型技术在材料内部形成胞腔通道,并依靠PTFE和聚半倍硅烷(PMSQ)间的双向粘合作用形成稳定交联点,获得NSC 127716采购了具有良好力学性能的多尺度胞腔PTFE/SiO_2复合气凝胶(PMSiO_2)。结果表明,该气凝胶在保持隔热性能前提下,在60%的压缩应变下可承受0.0487 MPa应力而恢复至原来形状,在100次循环压缩后最大压缩应力可保持在第一个压缩循环的82%以上,气凝胶的密度为0.0885 g/cm~3,孔隙率为94.37%,以该气凝胶替换原有的隔热里层材料,制备双层结构气凝胶热防护面料,其平衡温度与由PHSiO_2组成的多层面料相比降低1.07%,具备更好的高温隔热性能。经热防护性能测试,与传统多层面料组合相比,气凝胶面料可提升其TPP值和二级烧伤时间20.37%和20.33%,并降低中间层质量69.89%,改善热防护面料的轻质舒适性;同时,调整外层润湿状态,随含水率增大到50%,气凝胶面料的TPP值和二级烧伤时间分别提高84.71%和89.14%,但当其上升到100%,TPP值和二级烧伤时间相比50%时分别下降12.08%和11.97%。(4)气凝胶热防护面料的数值仿真模拟及其传热机制研究。采用数值仿真模拟的方法,基于PTFE/SiO_2复合气凝胶的微观结构特征,在面心立方体模型(FCC)的基础上引入随机孔径d~*和孔径变异系数Cv值建立材料的随机几何模型,并结合串联模型计算气凝胶双网络复合骨架结构的热学参数,以探究材料孔隙结构分布对其导热性能的影响规律;同时建立包含气凝胶层的多层织物Aquatic biology模型,通过数值模拟探究空气层厚度、气凝胶材料的导热性能及外界环境等对织物系统热量传递的影响机制,研究发现:气凝胶均质几何模型的相对误差保持在3.12%以内,随机几何模型可将该误差减小至1.60%,两种模型均可有效的模拟材料内部热量传递过程;对于多层织物模型,当空气层厚度小于6 mm时,其热暴露阶段温度的最大相对误差为4.48%,二级烧伤时间的为5.53%,该模型可有效的模拟3 mm-6 mm空气层厚度下织物系统的热量传递。空气层厚度影响气凝胶热防护面料(S-3)的热传递过程,其可减缓热暴露阶段热量传递速率,吸收冷却阶段织物的蓄热释放,改善织物系统的热防护性能。当空气层厚度从3 mm增加到6 mm,S-3的二级烧伤时间提升21.38%;但随其厚度进一步增加,自然对流的出现使热量传递效率增加,热防护性能增长趋势减缓,这可为后续研制新型热防护面料的结构设计和热防护性能预测奠定理论基础和应用价值。