一种气凝胶复合材料的制备方法技术

本发明专利技术属于复合材料领域，公开了一种气凝胶复合材料的制备方法，包括成型工装设计、纤维基体合模、浸渍成型、老化、溶剂置换和干燥，所述浸渍成型为依次采用真空注胶、压力注胶使溶胶浸渍于纤维基体中，直至发生溶胶凝胶反应。本发明专利技术还提出了上述制备方法制得的一种具有大厚度且可调、内部质量无分层、无裂纹、密度均匀性好的气凝胶复合材料。本发明专利技术的制备方法显著提高了大厚度气凝胶复合材料的隔热性能，可用于航空航天领域在长时间高温环境作业时的内外隔热。此外，该方法可制备不同型面规格的异型构件，对各种飞行器内外防热的一体化成型具有指导意义。

【技术实现步骤摘要】
一种气凝胶复合材料的制备方法
本专利技术属于复合材料
，具体地说，涉及一种气凝胶复合材料的制备方法。
技术介绍
气凝胶复合材料具有薄而轻，抗压性强，导热系数低，防火防潮，绿色环保等优良特性，在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓越成效。目前针对纤维增强气凝胶复合材料成型方法很多，也较为成熟。专利号CN102050456B提出一种二氧化硅气凝胶隔热复合材料成型方法，包括二氧化硅溶胶注胶成型工装的设计、二氧化硅溶胶配方及配制方法、二氧化硅溶胶与增强材料的混合方法以及增强二氧化硅凝胶体的超临界干燥工艺，通过本专利技术提供方法得到的二氧化硅气凝胶隔热复合材料，密度不大于0.4g/cm3，弯曲强度不小于1.0MPa，压缩强度(10％压缩量)不小于0.2MPa，导热系数(600℃)不大于0.04W/m·K，但通过此方法制得的气凝胶厚度较小，气凝胶厚度可调节性差，且密度均匀性不好。而通用方法中由于溶胶凝胶浸渍方法的限制，气凝胶复合材料的厚度有限，无法整体成型大厚度产品，大厚度复合材料的使用则通过薄层叠层实现，对整体隔热性能及安装装配带来了一定程度的影响，因此，需要一种新的溶胶-凝胶的制备方法，制备出大厚度且可调、内部无分层、无裂纹、密度均匀性好的气凝胶复合材料。有鉴于此特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种大厚度且可调、内部无分层、无裂纹、密度均匀性好的气凝胶复合材料及制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出一种气凝胶复合材料的制备方法，包括成型工装设计、纤维基体合模、浸渍成型、老化、溶剂置换和干燥，所述浸渍成型为依次采用真空注胶、压力注胶使纤维基体浸渍于溶胶中，直至发生溶胶凝胶反应。上述方案中，浸渍过程中由于纤维基体的孔隙与溶胶接触时，由于表面张力的作用而产生毛细管压力，使溶胶渗透到纤维基体内部，同时溶胶中的活性组分也吸附于纤维基体表面，现有技术中通过将成型工装型腔内抽真空后再注胶，即真空浸渍法，而采用真空浸渍法只能得到较小厚度的气凝胶复合材料，在制作大厚度气凝胶复合材料时采用真空注胶得到的气凝胶内部密度不均，且易出现分层和/或裂纹，而通过将薄层气凝胶叠层来制作的大厚度气凝胶复合材料，产品整体隔热性能较差，且给后续的安装装配带来了一定程度的影响。专利技术人经研究发现，在有纤维基体存在的型腔内真空注胶后，再通过施加一定压力注胶，可制作具有较大厚度，且厚度可调的气凝胶复合材料，通过压力注胶一方面可增加进入纤维基体空隙中的溶胶浸渍量和浸渍深度，尤其是对内部结构紧密的纤维基体具有更好的浸渍效果，另一方面可使溶胶胶粒聚合后的结构更加紧密，经后续处理后不易出现分层和裂纹。进一步的，所述真空注胶过程中，预抽真空的时间为15min-25min，真空度为-0.08MPa-0.1MPa；中间二次真空时间为5min-10min，真空度为-0.08MPa-0.1MPa；自然流胶速度为500g/min,直至工装型腔充满胶液，此时溶胶较粒吸附于纤维基体孔隙中。进一步的，本专利技术所述制备方法的具体步骤包括：(1)成型工装设计，根据产品的外形尺寸设计注胶成型工装；(2)纤维基体合模，根据成型工装尺寸制作纤维基体并将其平铺至成型工装型腔后将成型工装密封；(3)浸渍成型，按照先真空注胶后压力注胶的注胶方式将溶胶注入成型工装内，使溶胶浸渍于纤维基体内部，溶胶胶粒聚合形成网络结构的湿凝胶；(4)将(3)制得的湿凝胶进行老化、溶剂置换、干燥得到气凝胶复合材料。其中，步骤(1)中注胶成型工装按照尺寸进行设计，产品尺寸范围为500-1000mm。步骤(2)中，纤维增强基体需要距离成型工装四周边缘5mm-10mm留出注胶通道，合模后保证内部工装密封，耐压大于0.5MPa。步骤(3)中所述的注胶方式即为从成型工装的四周边缘注胶，可选择单侧对面或四周同时注胶。步骤(4)中所述老化为将纤维增强的湿凝胶放入溶剂(优选乙醇)中进行室温、高温老化，所述溶剂置换为进行2-3次溶剂置换，每次溶剂用量为湿凝胶重量的1-2倍，每次置换时间为8-10天。所述干燥为亚临界或超临界干燥，优选采用常用的CO2超临界干燥进行湿凝胶干燥，干燥时间为24h-48h。进一步的，所述压力注胶包括：(1)施压阶段，增加压力条件下将溶胶注入成型工装内，完成对纤维基体的施压浸渍；(2)保压阶段，维持压力将溶胶持续注入成型工装内，完成对纤维基体的保压浸渍。上述方案中，施压阶段，在一定压力条件下注胶，溶胶在纤维基体内部的浸渍深度和浸渍量增加，在保压注胶阶段溶胶在纤维基体中的分布更加均匀，溶胶胶粒间的聚合更加紧密，从而使制得的气凝胶复合材料内部密度均匀，不易分层和断裂。进一步的，所述压力注胶包括两次施压阶段和两次保压阶段。进一步的，第一次施压阶段的压力为0.1-0.3MPa，第一次保压阶段的保压时间为5-8min，第二次施压阶段的压力为0.4-0.5MPa，第二次保压阶段的保压时间为5-8min；优选的，第一次施压阶段的压力为0.2-0.3MPa，第一次保压阶段的保压时间为6-7min，第二次施压阶段的压力为0.4-0.5MPa,第二次保压时间为6-7min。上述方案中，通过采用两次施压和两次保压可制得性能更加优良的大厚度气凝胶复合材料，但若施压和保压次数过多，压力过大，时间过长，浸渍于纤维基体中的溶胶颗粒会因外界压力而流失反而影响气凝胶复合材料的性能和内部结构，同时当压力大于0.5Mpa，施压时间超过8分钟时对成型工装也会造成一定程度损坏。进一步的，所述浸渍成型过程中还包括排胶，所述排胶的排胶量为成型工装型腔体积的0.4-1.3倍；优选的，真空注胶阶段的排胶量为型腔体积的0.4-0.5倍，压力注胶阶段，第一次施压和保压阶过程中，排胶量为型腔体积的0.67～1倍，第二次施压和保压过程中，排胶量为型腔体积的1～1.3倍；更优选的，所述排胶的流速为300-500g/min,优选350-450g/min。上述方案中，在成型工装上分布有一个或多个注胶阀门和一个或多个排胶阀门；针对产品尺寸的大小，根据一定间距设计阀门位置，优选的，在成型工装的四周边缘均布注胶阀门，在成型工装的上表面和下表面均布排胶阀门，阀门间距是80mm-150mm。在真空注胶阶段，在注胶口抽真空使成型工装型腔内形成负压，溶胶从四周边缘的注胶阀门注入到成型工装型腔内，直至从成型工装上下表面的中心阀门排胶。压力注胶阶段，第一次施压和保压过程中，溶胶从四周边缘的注胶阀门注入到成型工装型腔内，并从成型工装上表面的阀门排胶；第二次施压和保压过程中，溶胶从四周边缘的注胶阀门注入到成型工装型腔内，并从成型工装下表面的阀门排胶；真空注胶阶段在型腔上下表面同时排胶只是为了证明型腔充满，而第一次压力注胶和第二次压力注胶时分别在上下表面排胶是为了增加流胶道及出胶点，只要出胶处出胶即说明此处胶已充满；另外，在真空注胶阶段的排胶量无需特意控制，只要出胶即可，而加压阶段是靠出胶量来保证浸渍效果，以便排出纤维内多余空气，并保证纤维空隙内被溶胶充分充满。进一步的，所述注胶和排胶过程的时间之和为小于60min。进一步的，所述纤维基体为莫来石和/或石英纤维基体。上述方案中，对于常用的耐高温纤维，如莫本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气凝胶复合材料的制备方法，包括成型工装设计、纤维基体合模、浸渍成型、老化、溶剂置换和干燥，其特征在于，所述浸渍成型为依次采用真空注胶、压力注胶使溶胶浸渍于纤维基体中，直至发生溶胶凝胶反应。

【技术特征摘要】
1.一种气凝胶复合材料的制备方法，包括成型工装设计、纤维基体合模、浸渍成型、老化、溶剂置换和干燥，其特征在于，所述浸渍成型为依次采用真空注胶、压力注胶使溶胶浸渍于纤维基体中，直至发生溶胶凝胶反应。2.根据权利要求1所述的一种气凝胶的制备方法，其特征在于，所述压力注胶包括：(1)施压阶段，增加压力条件下将溶胶注入成型工装内，完成对纤维基体的施压浸渍；(2)保压阶段，维持压力将溶胶持续注入成型工装内，完成对纤维基体的保压浸渍。3.根据权利要求1或2所述的一种气凝胶的制备方法，其特征在于，所述压力注胶包括两次施压阶段和两次保压阶段。4.根据权利要求1-3任一所述的一种气凝胶的制备方法，其特征在于，第一次施压阶段的压力为0.1-0.3MPa，第一次保压阶段的保压时间为5-8min，第二次施压阶段的压力为0.3-0.6MPa，第二次保压阶段的保压时间为5-8min；优选的，第一次施压阶段的压力为0.2-0.3MPa，第一次保压阶段的保压时间为6-7min，第二次施压阶段的压力为0.4-0.5MPa,第二次保压时间为6-7min。5.根据权利要求1-4任一所述的一种气凝胶的制备方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丽娟，裴雨辰，李文静，苏力军，简文政，宋寒，赵英民，杨洁颖，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11