一种碳化硅纳米纤维气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳化硅纳米纤维气凝胶的制备方法。包括以下步骤：1)通过溶胶凝胶法在碳纤维表面包覆SiO

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅纳米纤维气凝胶的制备方法
本专利技术涉及一种气凝胶的制备方法，具体涉及一种碳化硅纳米纤维气凝胶的制备方法。
技术介绍
气凝胶是一种纳米级多孔材料，具有低导热率、低密度、高孔隙率，超大的比表面积等优异性质，在航空航天、防火隔热、生物医学、过滤与催化吸附等等领域有广泛的应用前景。目前研究最多的是SiO2气凝胶、Al2O3气凝胶和炭气凝胶，传统气凝胶的制备过程总体上可以分为两步：溶胶凝胶过程与干燥处理过程。溶胶凝胶过程通常是指在催化剂的作用下，前驱体发生水解、缩聚反应后形成溶胶，然后经老化形成凝胶的过程。在凝胶干燥过程中，关键技术是尽量保持凝胶结构的完整性，避免凝胶的网络结构被气液表面产生的毛细管张力破坏。通常气凝胶的干燥处理过程主要分为三类:超临界干燥、冷冻干燥和常压干燥。碳化硅气凝胶具有优异的耐高温、抗氧化性能，受到越来越多的研究者关注。现有技术中的碳化硅气凝胶制备技术具有如下问题:(1)通常采用聚碳硅烷聚合物先驱体转化制备陶瓷法制备碳化硅气凝胶，原料成本高，且由于气凝胶材料骨架结构较为疏松，机械性能低，脆性使得气凝胶整体结构容易坍塌；(2)碳化硅气凝胶材料的冷冻干燥制备技术，特别是超临界干燥技术，导致其制备成本高，制备周期长；(3)苛刻的干燥技术条件对设备的温度或压力性能提出了极高的要求，导致反应过程往往只能在一个较小的腔体内进行，很难实现大尺寸气凝胶的制备。这些问题严重限制了气凝胶材料的实际产业化应用。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中的问题，本专利技术提出了一种碳化硅纳米纤维气凝胶的制备方法。其主要反应机理为：在高温条件下，含有可膨胀石墨的溶胶凝胶粉生成SiO、Si、CO等气体，与碳纤维反应生成碳化硅晶核。碳化硅晶核主要按两步生长：由SiO、Si等硅源气体与碳纤维接触后，在纤维表面和界面处发生气固反应形成SiC晶核；CO等碳源气体和SiO、Si等硅源气体在接触碳纤维表面后发生的气相反应，根据晶面择优取向使得SiC晶核沿特定晶格方向一维生长，形成碳化硅纳米纤维。此外，本专利技术将包覆SiO2后的碳纤维聚集体经弹花机刺辊与罗拉间巨大的拉伸力后，被分离为单纤维状态，在气流作用下，经输棉通道，形成蓬松的碳纤维毡，为后续高温气氛炉中碳化硅纳米纤维的生长提供了有利空间；碳纤维充分反应，无需后续煅烧除碳，也避免煅烧过程对碳化硅纳米纤维的氧化；碳纤维表面包覆SiO2有利于SiC晶核生长。本方法工艺简单，对设备要求低，制备成本低，生产效率高，易于实现规模化工业生产。本专利技术采用以下技术方案包括以下步骤：1)碳纤维表面的SiO2包覆：通过溶胶凝胶法在碳纤维表面包覆SiO2凝胶；2)蓬松碳纤维毡的制备：将表面包覆SiO2凝胶的碳纤维聚集体进行分散，得到蓬松的碳纤维毡；3)SiO2/C凝胶粉原料的制备：通过溶胶凝胶法制备SiO2/C凝胶粉；4)原料装填：将SiO2/C凝胶粉铺设在坩埚底部，将步骤2)制备的蓬松碳纤维毡以设定的形状放至SiO2/C凝胶粉上方，盖上坩埚盖；5)碳热还原制备碳化硅纳米纤维气凝胶：将步骤4)的坩埚置于高温气氛炉内，在高温条件下，制备得到碳化硅纳米纤维气凝胶；所述步骤1)具体为：以正硅酸乙酯(TEOS)、水、无水乙醇为原料水解至溶液澄清得到硅溶胶，将已除胶的短切碳纤维浸渍硅溶胶后经沥干、烘干，得到表面包覆SiO2的碳纤维聚集体。所述短切碳纤维的长度为3～80mm，不同长度的碳纤维影响蓬松碳纤维毡的密度，并进一步影响制备得到碳化硅纳米纤维气凝胶的密度。所述步骤2)中，使用弹花机或气流冲击等分散方式将表面包覆SiO2凝胶的碳纤维聚集体进行分散。弹花机刺辊与罗拉间巨大的拉伸力将碳纤维聚集体分离为单纤维状态，在气流作用下，经输棉通道，形成蓬松的碳纤维毡。所述步骤2)中，通过改变蓬松碳纤维毡的疏密程度调控碳化硅纳米纤维气凝胶的疏密程度。蓬松碳纤维毡的宏观形貌决定了碳化硅纳米纤维气凝胶的宏观形貌，通过改变蓬松碳纤维毡外型、坩埚尺寸形状的方式直接或间接地调控碳化硅纳米纤维气凝胶的宏观形貌。所述步骤3)具体为，以正硅酸乙酯、水、无水乙醇水解为原料水解至溶液澄清得到硅溶胶，在硅溶胶中加入可膨胀石墨，持续搅拌至凝胶，凝胶经烘干碾碎后得到SiO2/C凝胶粉。所述可膨胀石墨为正硅酸乙酯质量的2～20％。所述硅溶胶的原料以质量百分比计为：正硅酸乙酯为50～70％，水为10～20％，无水乙醇为10～40％。所述SiO2/C凝胶粉的质量为150～600g，根据蓬松碳纤维毡用量、高温气氛炉炉膛尺寸调整SiO2/C凝胶粉的质量。所述步骤5)具体为：对高温气氛炉循环抽真空、充氮气三次，减少氧气分压；以1～10℃/min的升温速率将高温气氛炉升温至1450～1700℃，保温烧结3～6h，反应气压为正压；反应完成后随炉降温至常温，得到碳化硅纳米纤维气凝胶。所述步骤5)中碳化硅纳米纤维气凝胶的组成相为3C-SiC，密度为1～8mg/cm3，气孔率＞98％。所述碳化硅纳米纤维气凝胶由高长径比的SiC纳米纤维在三维空间交织构筑而成，SiC纤维的直径从纳米级到亚微米级，纳米级的直径范围为30～100nm，亚微米级的直径范围为0.1～0.6μm。所述SiC纳米纤维的长径比可达1.5×105本专利技术的有益效果：1)本专利技术制备的碳化硅纳米纤维气凝胶，由高长径比的超长SiC纳米纤维在三维网络空间交织构筑而成。与传统碳化硅气凝胶制备方法相比，本专利技术制备的碳化硅纳米纤维气凝胶纯度高，孔隙结构可控，制备工艺简单，无须采用传统气凝胶超临界干燥等复杂的工艺手段。2)本专利技术反应充分无需后续煅烧处理，产物宏观形貌可控，容易实现气凝胶大尺寸及规模化生产制备，在高温隔热、催化剂载体、吸波材料和高温复合材料等领域具有广泛的应用前景。3)本专利技术采用弹花机等分散技术，可形成蓬松可控的原料碳纤维结构，有利于反应气体的输运，有利于纳米纤维的生长及气凝胶的空隙控制等。该制备方法可以获得大尺寸的碳化硅纳米纤维气凝胶，其原始形状、尺寸及密度可以通过外部模具、原料质量、原料尺寸及装填方式等参量进行多维度调控，易于实现SiC气凝胶批量化、规模化的工业生产。附图说明图1为碳化硅纳米纤维气凝胶制备工艺流程图。图2为实施例1中制备的碳化硅纳米纤维气凝胶微观形貌的扫描电子显微镜(SEM)照片。图3为实施例1中制备的碳化硅纳米纤维气凝胶的X射线衍射(XRD)谱图。图4为实施例3中制备的碳化硅纳米纤维气凝胶进行回弹性实验的过程图，4(a)为实验前气凝胶的状态图，4(b)为在气凝胶上放置坩埚的状态图，4(c)分别移除坩埚后的气凝胶的状态图。具体实施例下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步阐述。这些实施案例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。本专利技术的碳化硅纳米纤维气凝胶的制备工艺流程如图1所示。实施例1a.以正硅酸乙酯(质量分数67w本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化硅纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)碳纤维表面的SiO

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)碳纤维表面的SiO2包覆：通过溶胶凝胶法在碳纤维表面包覆SiO2凝胶；
2)蓬松碳纤维毡的制备：将表面包覆SiO2凝胶的碳纤维聚集体进行分散，得到蓬松的碳纤维毡；
3)SiO2/C凝胶粉原料的制备：通过溶胶凝胶法制备SiO2/C凝胶粉；
4)原料装填：将SiO2/C凝胶粉铺设在坩埚底部，将步骤2)制备的蓬松碳纤维毡放至SiO2/C凝胶粉上方，盖上坩埚盖；
5)碳热还原制备碳化硅纳米纤维气凝胶：将步骤4)的坩埚置于高温气氛炉内，在高温条件下，制备得到碳化硅纳米纤维气凝胶。


2.根据权利要求1所述的一种碳化硅纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：以正硅酸乙酯、水、无水乙醇为原料水解得到硅溶胶，将已除胶的短切碳纤维浸渍硅溶胶后经沥干、烘干，得到表面包覆SiO2的碳纤维聚集体。


3.根据权利要求2所述的一种碳化硅纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，所述短切碳纤维的长度为3～80mm。


4.根据权利要求1所述的一种碳化硅纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，使用弹花机或气流冲击将表面包覆SiO2凝胶的碳纤维聚集体进行分散。


5.根据权利要求1所述的一种碳化硅纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，通过改变蓬松碳纤维毡的疏密程度调...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建军，施嘉辉，侯红臣，郑旭鹏，罗小雨，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33