Fields, Meredith

Guo, Haiquan

Hurwitz, Frances

Johnson, Dereck

Palczer, Anna

Rogers, Richard

Shave, Molly

NASA Technical Reports Server

Development	  of	  Aerogel	  Composites	  for	  
Mul4layer	  Insula4on,	  Thermoelectric	  
Applica4ons	  and	  High	  Temperature	  
Thermal	  Protec4on	  Systems	  
Frances	  Hurwitz,	  Molly	  Shave	  (USRP	  Intern),	  Meredith	  Fields	  (USRP	  Intern),	  	  
Anna	  Palczer,	  Dereck	  Johnson,	  Richard	  Rogers	  
NASA	  Glenn	  Research	  Center	  
	  
Haiquan	  Guo	  
Ohio	  Aerospace	  Ins4tute	  
Na4onal	  Space	  and	  Missile	  Materials	  Symposium	  
Tampa,	  FL	  June	  25-­‐28,	  2012	  
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20150010130 2019-08-31T07:54:47+00:00Z
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
•  Use	  temperatures	  to	  >1100˚C	  	  
•  	  Aerogel	  is	  reinforced	  with	  non-­‐
woven	  ceramic	  ﬁber	  papers	  felts.	  
•  	  Can	  be	  opaciﬁed	  to	  reduce	  
radia4on	  heat	  transfer.	  
Aerogel-­‐Impregnated	  Ceramic	  Papers	  as	  Lightweight,	  High	  Temperature	  
Insula4on:	  	  GRAAFiTI	  (Glenn	  Research	  Center	  Aluminosilicate	  Aerogel	  Fiber-­‐
reinforced	  Thermal	  Insula4on)	  
	  
	  
Aerogel	  maintains	  high	  surface	  area	  	  
aZer	  exposure	  at	  1100˚C	  
2	  
Boehmite	  [AlO(OH)]+	  TEOS	  
P.	  R.	  Aravind,	  et	  al	  Microporous	  and	  Mesoporous	  
Materials	  96	  (2006)	  14–20.	  	  
Aerogel	  synthesis	  approach:	  
AlOOH	  powders	  (Sasol,	  NA)	  
• 	  Boehmite	  powder	  dispersed	  in	  water	  with	  sonica4on	  
• 	  TEOS	  hydrolyzed	  with	  nitric	  acid	  catalyst	  in	  ethanol	  	  
• 	  TEOS	  solu4on	  combined	  with	  AlOOH	  dispersion	  
• 	  Al:Si	  ra4o	  can	  be	  tailored	  
• 	  Opaciﬁer	  can	  be	  added	  prior	  to	  gela4on	  
TEOS	  
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  hydrogel	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  aerogel	  
supercri4cal	  CO2	  
Aerogels	  synthesized	  from	  Boehmite	  +	  TEOS:	  	  Dispersion	  of	  Boehmite	  
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
Courtesy Sasol, NA 
AlO6	  octahedra	  
Sheet	  spacing	  varies	  with	  crystallite	  size.	  
S.	  Bruhne,	  Cryst.	  Growth	  Des.,	  2008,	  8	  (2),	  pp	  489–493n	  
Boehmite	  [AlO(OH)]	  structure:	  
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
Precursor	  powder	   2theta	  (deg)	   d	  (Å)	   b	  (meas.)	   b	  (PDF)	   crystallite	  size	  
P2	   14.074	   6.287	   12.575	   12.240	   4.9+/-­‐	  0.2nm	  
P2W	   14.094	   6.279	   12.558	   12.227	   2.6+/-­‐	  0.1nm	  
Precursor	  powder:	  
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
P2	  3Al:1Si	  
P2W	  3Al:1Si	  
P2W	  1Al:0Si	  
Phase	  Transforma4ons	  
Temp	  (°C)	   RT	   600	   1000	   1100	   1200	   1300	   1400	  
Sample	   	   	   	   	   	   	   	  
MS714	  
boehmite	  
+	  gibbsite	  
(minor)	  
γ/η	  
alumina	  
γ/η	  
alumina	  
γ/η	  
alumina	  
γ/η	  
alumina	  +	  
δ/θ-­‐
alumina	  
mullite	   mullite	  
MS716	   boehmite	  
γ/η	  
alumina	  
γ/η	  
alumina	  
γ/η	  
alumina	  
γ/η	  
alumina	  +	  
δ/θ-­‐
alumina	  
mullite	   mullite	  
MF878	   no	  XRD	  
γ/η	  
alumina	  
γ/η	  
alumina	  +	  
δ/θ-­‐
alumina	  
δ-alumina	  
+ θ-­‐
alumina	  
δ-alumina	  
+ θ-­‐
alumina	  
α-­‐alumina	   no	  XRD	  
P2W	  1	  Al:	  0	  Si	  P2	  3	  Al:	  1	  Si	   P2W	  3	  Al:	  1	  Si	  
As-­‐dried	  
γ-­‐AlOOH	  
	  600˚C	  
1100˚C	  
1300˚C	  
γ/η-­‐Αl2O3	  
mullite	  
γ/η-­‐Αl2O3	  
	  600˚C	  
γ/η-­‐Αl2O3	  
As-­‐dried	  
γ-­‐AlOOH	  
δ+θ-­‐Αl2O3	  
α-­‐Αl2O3	  
1100˚C	  
1300˚C	  
0	  
50	  
100	  
150	  
200	  
250	  
300	  
350	  
400	  
450	  
0	   500	   1000	   1500	  
BE
T	  
su
rf
ac
e	  
ar
ea
	  m
2 /
g	  
Temperature,	  ˚C	  
MS714	  P2	  3Al:1Si	  
MS716	  P2W	  3Al:1Si	  
MF878	  P2W	  1Al:0Si	  
0.00	  
0.10	  
0.20	  
0.30	  
0.40	  
0.50	  
0.60	  
0.70	  
0.80	  
0	   500	   1000	   1500	  
Po
re
	  v
ol
um
e	  
cm
3 /
g	  
Temperature,	  ˚C	  
MS714	  P2	  3Al:1Si	  
MS716	  P2W	  3Al:1Si	  
MF878	  P2W	  1Al:0Si	  
0	  
5	  
10	  
15	  
20	  
25	  
30	  
35	  
40	  
0	   500	   1000	   1500	  
Av
g	  
po
re
	  d
ia
m
et
er
,	  n
m
	  
Temperature,	  ˚C	  
MS714	  P2	  3Al:1Si	  
MS716	  P2W	  3Al:1Si	  
MF878	  P2W	  1Al:0Si	  
§  Mesoporous	  structure	  is	  maintained	  	  
to	  1100˚C.	  
§  	  High	  surface	  area	  is	  lost	  earlier	  in	  all	  
alumina	  aerogels	  than	  in	  aluminosilicate	  
systems	  
	  
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
1315	  
1320	  
1325	  
1330	  
1335	  
1340	  
1345	  
2.0	   2.5	   3.0	   3.5	   4.0	  
Pe
ak
	  T
em
pe
ra
tu
re
,	  ˚
C	  
Al:Si	  Ra4o	  
Inﬂuence	  of	  stoichiometry	  and	  precursor	  
powder	  on	  phase	  transforma4on	  temperature	  	  
	  P2	  
P2W	  
•  Phase	  transforma4on	  to	  mullite	  shiZs	  to	  higher	  temperature	  in	  Al-­‐rich	  formula4ons	  
•  Smaller	  crystallite	  size	  precursor	  transforms	  at	  lower	  temperatures	  than	  
larger	  crystallite	  size	  boehmite	  powder	  
-­‐0.20	  
0.00	  
0.20	  
0.40	  
0.60	  
0.80	  
1.00	  
1.20	  
60	  
65	  
70	  
75	  
80	  
85	  
90	  
95	  
100	  
105	  
0	   500	   1000	   1500	  
μV
/m
g	  
M
as
s,
	  %
	  
Temperature,	  ˚C	  
TGA	  P2W	  3Al:1Si	  
DTA	  P2W	  3Al:1Si	  
mullite	  	  
forma4on	  
γ/η-­‐Αl2O3	  
	  
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
γ-­‐AlOOH	  
	  
Hydrogels	  with	  varying	  levels	  of	  TiO2	  incorpora4on	  
0	  
0.1	  
0.2	  
0.3	  
0.4	  
0.5	  
0.6	  
0.7	  
0.8	  
1	   10	   100	  
Po
re
	  V
ol
um
e	  
(c
m
3 /
g)
	  
Pore	  diameter	  (nm)	  
22.6	  TiO2	  
(885)	  
3Al:1Si	  (863)	  
TiO2	  can	  be	  incorporated	  as	  an	  opaciﬁer	  
Arrow	  shows	  TiO2	  par4cles.	  
Pore	  structure	  is	  unchanged	  by	  TiO2	  
addi4on	  
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
11	  
Aerogel-­‐Impregnated	  Paper	  Composites	  
§  Layers	  of	  aerogel	  impregnated	  papers	  
can	  act	  as	  thermal	  insulators	  on	  their	  
own	  or	  as	  separators	  in	  MLI.	  
§  Paper	  reinforcement	  provides	  
dimensional	  stability	  and	  mechanical	  
reinforcement.	  
§  Aerogel-­‐impregnated	  paper	  remains	  
ﬂexible.	  
§  Aerogel	  formula4ons	  adhere	  well	  to	  
ﬁbers,	  elimina4ng	  dust	  forma4on.	  
§  Density	  of	  0.15	  g/cm3	  compared	  with	  
Microtherm	  HT	  (0.3428	  g/cm3)	  
Alumina	  paper	  impregnated	  with	  
aluminosilicate	  aerogel	  
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
APA-­‐2	  
P2W	  3Al:1Si	  APA-­‐2	  paper	  composite,	  	  
post	  600˚C	  exposure,	  air	  
P2W	  3Al:1Si	  APA-­‐2	  paper	  composite,	  	  
as	  fabricated	  
Microstructure of alumina paper 
(above), and felt aerogel 
composites (right) 
 
Aerogel well bonded to fiber— 
does not “flake” 
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
Sample	  ID	  
%	  	  paper	  by	  
mass	  
%	  aerogel	  
by	  mass	  
Aerogel	  
Composi4on	  
Al2O3:SiO2:TiO2	  
(moles)	  
Density	  
	  g/cm3	  
A2-­‐170	  (716)	   65.8	   34.2	   1.6:1:0	   0.148	  
A2-­‐169	  (749)	   66.7	   33.3	   1.36:1:0	   0.152	  
A2-­‐238/239	   70.6	   29.4	   1:0:0	   0.161	  
A2-­‐254	   60.4	   39.6	   1.6:1:1.28	   0.169	  
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
APA-­‐2/Aerogel	  Composite	  Formula4ons	  
Stepped	  HeaYng	  Method	  for	  
measuring	  thermal	  diﬀusivity	  
J.	  Gembarovic,	  R.	  E.	  Taylor,	  Int.	  J.	  
Thermophys.(2007)	  28:2164-­‐2175.	  
Sample	  
Thermocouples	  
Window	  Window	  
Sample	  chamber	  
Gas	  Inlet	  
I.R.	  Lamp	  
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
κ=	  α*Cp*ρ	  
	  
where:	  
	  
κ	  :	  thermal	  conduc4vity	  (SI	  units:	  W/(m·∙K))	  
α:	  thermal	  diﬀusivity	  (cm2/s)	  
ρ	  :	  density	  (kg/m³)	  
Cp:	  speciﬁc	  heat	  capacity	  (J/(kg·∙K))	  
CalculaYon	  of	  thermal	  conducYvity:	  
0	  
20	  
40	  
60	  
80	  
100	  
120	  
0	   200	   400	   600	   800	   1000	  
k(
m
W
/m
	  K
)	  
Temperature	  ˚C	  
APA-2, argon 
APA-2, vacuum 
aerogel-impregnated felt, argon 
aerogel impregnated felt, vacuum 
P=10-­‐3	  Torr	  
0.000	  
0.200	  
0.400	  
0.600	  
0.800	  
1.000	  
1.200	  
1.400	  
0	   200	   400	   600	   800	   1000	  
Sp
ec
iﬁ
c	  
He
at
,	  J
/g
	  K
	  
Temperature,	  ˚C	  
A2-­‐22	  
APA-­‐2	  
1	  atm	  Ar	  
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
Thermal	  Conduc4vity	  Determina4on	  of	  	  
APA-­‐2/Aerogel	  Composites	  
Thermal	  conduc4vity,	  1	  atm	  argon	  
0	  
10	  
20	  
30	  
40	  
50	  
60	  
70	  
0	   200	   400	   600	   800	   1000	  
k	  
m
W
/m
-­‐K
	  
Temperature	  ,	  ˚C	  
2.72Al:1Si	  (A2-­‐169)	  
3.2Al:1Si	  (A2-­‐170)	  
1Al:0Si	  (A2-­‐239)	  
3.2Al:1Si:1.28Ti	  
(A2-­‐254)	  
2.72Al:1Si	  (A2-­‐22)	  
TPRL	  
Insula4on	  Research	  
0	  
0.2	  
0.4	  
0.6	  
0.8	  
1	  
1.2	  
1.4	  
0	   200	   400	   600	   800	   1000	  
Cp
	  J/
g	  
K	  
Temperature,	  ˚C	  
A2-­‐170	  
A2-­‐169	  
A2-­‐238	  
A2-­‐254	  
A2-­‐22	  
Speciﬁc	  heat,	  A2-­‐22	  measured,	  
other	  values	  calculated	  based	  
on	  rule-­‐of-­‐mixtures	  
composi4on	  determined	  by	  
Induc4vely	  coupled	  plasma	  
(ICP)	  
Thermal	  Conduc4vity	  Determina4on	  of	  	  
APA-­‐2/aerogel	  Composites	  
In	  1	  atm	  argon,	  and	  at	  P=10-­‐3	  Torr	  (not	  shown),	  T4	  behavior	  is	  non-­‐linear,	  	  
indica4ng	  that	  radia4on	  is	  not	  the	  primary	  component	  of	  thermal	  conduc4vity.	  
Therefore,	  eﬀects	  of	  TiO2	  addi4on	  cannot	  be	  evaluated	  from	  this	  data.	  
0	  
10	  
20	  
30	  
40	  
50	  
60	  
70	  
0	   1E+11	   2E+11	   3E+11	   4E+11	   5E+11	  
k	  
m
W
/m
-­‐K
	  
T4	  
2.72Al:1Si	  (A2-­‐169)	  
3.2Al:1Si	  (A2-­‐170)	  
1Al:0Si	  (A2-­‐239)	  
2.72Al:1Si:1.28Ti	  (A2-­‐254)	  
2.72Al:1Si	  (A2-­‐22,	  TPRL)	  
NASA	  GRC	  MLI	  Test	  Rig	  
18 
•  Operates	  at	  10-­‐6-­‐10-­‐7	  Torr	  at	  temperatures	  	  
to	  750˚C	  (should	  be	  radia4on	  dominated)	  
•  Thermal	  conduc4vity	  
•  Allows	  easy	  stacking	  of	  samples	  of	  various	  
composi4ons	  
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
0	  
100	  
200	  
300	  
400	  
500	  
600	  
700	  
800	  
0	   1	   2	   3	   4	   5	  
Di
sk
	  T
em
pe
ra
tu
re
,˚C
	  
Ta	  Layer	  
Ta	  5	  layers,	  250	  
Ta	  5	  layers,	  500	  
Ta	  5	  layer,	  750	  
ZYF-­‐50/aerogel,	  Run	  5,	  250	  
ZYF-­‐50/aerogel,	  Run	  5,	  500	  
ZYF-­‐50/aerogel,	  Run	  5,	  750	  
APA2/aerogel	  Run	  4,	  250	  
APA2/aerogel,	  Run	  4,	  500	  
APA2/aeerogel,	  Run	  4,	  750	  
• 	  Use	  of	  aerogel	  composite	  separators	  between	  layers	  
reduces	  heat	  transfer	  from	  foil	  to	  foil,	  resul4ng	  in	  ho~er	  
foil	  temperature	  at	  ﬁrst	  layer,	  but	  temperature	  reduc4on	  in	  
subsequent	  layers.	  
• 	  	  The	  largest	  eﬀect	  is	  seen	  at	  the	  highest	  temperature,	  
with	  an	  86˚C	  reduc4on	  at	  the	  ﬁZh	  layer	  when	  aerogel	  
composites	  are	  used.	  	  
• 	  ΔT	  between	  baseline	  foils	  alone	  and	  foils	  with	  aerogel	  
separators	  appears	  to	  be	  increasing	  with	  number	  of	  layers.	  	  
MLI	  (Mul4-­‐Layer	  Insula4on)	  
Measurements	  at	  10-­‐6-­‐10-­‐7	  
Torr.	  	  (Data	  points	  obtained	  	  
at	  thermal	  equilibrium).	  
	  
19	  Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
Rig	  test	  did	  not	  diﬀeren4ate	  between	  APA-­‐2	  paper	  alone	  and	  	  
APA-­‐2	  composite	  separators.	  	  Modeling	  showed	  alumina	  tube	  	  
to	  be	  providing	  thermal	  short.	  	  Rig	  is	  undergoing	  re-­‐design.	  
AIAA-­‐2006-­‐1698	  J.	  P.	  Masciarelli	  et	  al	  
Aerogels	  being	  incorporated	  here.	  
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
Flexible	  felt-­‐aerogel	  
composites	  can	  be	  used	  as	  	  
layers	  in	  inﬂatable	  decelerators.	  
ApplicaYons:	  	  Inﬂatable	  Decelerators	  	  
0 
100 
200 
300 
400 
500 
600 
700 
800 
900 
120 140 160 180 200 
Te
m
p
er
at
u
re
 °
C
 
Time (s) 
8'HTT Test 171 Run 12 Location 4 Temperatures 
Post-­‐test	  Run	  12	  Loc	  4	  
Post-­‐test	  BF-­‐20	  layers	  removed	  
Underside,	  APA-­‐2/aerogel	  
layer	  7	  
frances.hurwitz@nasa.gov	  
Aerogel	  microstructure	  is	  maintained	  
High	  Temperature	  Aluminosilicate	  Aerogel-­‐
Composite	  Tested	  in	  LaRC	  8’HTT	  (to	  evaluate	  
for	  EDL):	  
• 	  2	  BF-­‐20/7	  AS-­‐APA-­‐2/Aluminized	  Kapton	  
• 	  17W/cm2	  ﬂux;	  1435	  psi	  @3300˚R	  combustor	  
pressure	  
• 	  Temperature	  between	  aerogel	  composite	  
and	  Kapton	  nominally	  50˚C,	  a	  drop	  of	  700˚C	  
across	  7	  layers)	  
22	  
Conclusions:	  
•  Flexible,	  alumina	  paper	  reinforced	  aerogel	  composites	  were	  fabricated	  with	  a	  
density	  of	  	  	  0.15	  g/cm3,	  nominally	  43%	  the	  density	  of	  Microtherm	  HT.	  
•  Aerogel	  adheres	  well	  to	  ﬁber	  (no	  “	  ﬂaking”	  or	  spalling).	  
•  Aerogels	  maintain	  mesoporous	  structure	  beyond	  1100˚C,	  >	  400˚C	  above	  use	  
	  temperature	  of	  SiO2	  aerogels	  .	  
•  	  Aerogel	  composi4on	  can	  be	  used	  to	  tailor	  surface	  area	  and	  pore	  size	  	  
distribu4on,	  but	  varia4on	  in	  the	  range	  seen	  here	  has	  li~le	  eﬀect	  on	  thermal	  	  
conduc4vity	  in	  1	  atm	  argon.	  
•  Composi4on	  does	  inﬂuence	  crystalline	  phases	  formed	  and	  phase	  transforma4on	  
temperature,	  with	  higher	  alumina	  content	  in	  aluminosilicates	  shiZing	  phase	  	  
transforma4on	  to	  mullite	  to	  higher	  temperatures,	  thereby	  increasing	  upper	  use	  
temperature.	  	  Surface	  area	  maintained	  to	  higher	  temperatures	  in	  aluminosilicates	  
Compared	  with	  all	  alumina	  aerogel.	  
•  Smaller	  crystallite	  boehmite	  powder	  transforms	  to	  mullite	  at	  lower	  temperature	  	  
than	  slightly	  larger	  crystallite	  powder.	  	  
•  Thermal	  conduc4vi4es	  of	  <	  60	  mW/m-­‐K	  at	  900˚C	  in	  argon	  have	  been	  achieved.	  
•  Aerogel	  composites	  out-­‐performed	  ZrO2	  spacers	  in	  MLI	  tes4ng	  at	  10-­‐6-­‐10-­‐7	  Torr.	  
	  
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
• Opaciﬁca4on	  of	  aluminosilicate	  aerogels	  with	  TiO2	  has	  been	  demonstrated	  
at	  levels	  up	  to	  45	  mole	  %	  Ti	  in	  an	  Al-­‐Si-­‐Ti	  system.	  	  However,	  due	  to	  thermal	  
short	  issues	  in	  NASA	  GRC	  MLI	  rig,	  the	  eﬀect	  of	  TiO2	  opaciﬁca4on	  under	  
radia4on	  dominated	  heat	  transfer	  condi4ons	  could	  not	  be	  ascertained	  at	  this	  
4me,	  but	  will	  be	  evaluated	  aZer	  re-­‐design	  of	  test	  rig.	  
•  Composites	  performed	  well	  in	  8’HTT	  test	  at	  NASA	  LaRC	  at	  17W/cm2	  ﬂux;	  
1435	  psi	  @3300˚R	  combustor	  pressure.	  	  A	  700˚C	  temperature	  drop	  was	  
achieved	  across	  seven	  1.25mm	  composite	  layers.	  	  Mesoporous	  aerogel	  
structure	  maintained	  post-­‐test	  in	  all	  layers.	  
	  
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  
Acknowlegments:	  
•  Thermal	  Materials	  Team:	  	  Peggy	  Cornell,	  David	  Ellis,	  Paul	  Schmitz,	  Ka4e	  Shaw	  
•  Jessica	  Panella,	  NASA	  LERCIP	  Intern	  
•  Carrie	  Rhoades,	  LaRC	  
•  NASA	  ARMD	  Hypersonics	  Project	  
•  NASA	  RPS	  Program	  
Glenn	  Research	  Center	  at	  Lewis	  Field	  


Development of Aerogel Composites for Multilayer Insulation, Thermoelectric Applications and High Temperature Thermal Protection Systems

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

NASA Technical Reports Server