一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫及制备方法，其特征在于表层体积分数高于芯层体积分数，层间实现体积分数渐变过渡；层内由单晶纳米线构建均匀的孔隙，相互搭接形成三维网络骨架。通过模板法和聚合物转化法相结合，实现原位自生不同体积分数纳米线层状结构的一步成型。本发明专利技术所提供的技术方案制得的层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的制备工艺，步骤简单、周期短、成本低。能够有效保证层内纳米线纯净且均匀分布，层间结合良好。该工艺可靠、可重复性高，有潜力发展成为面向高温使用的隔热承载一体化材料的工程化、产业化制备技术，为其批量生产奠定工艺基础。为其批量生产奠定工艺基础。为其批量生产奠定工艺基础。

【技术实现步骤摘要】
一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫及制备方法


[0001]本专利技术属于新材料的制备
，涉及一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫及制备方法。

技术介绍

[0002]泡沫材料由于具备高的孔隙率以及纳米网络骨架相互连接所形成的介孔结构，使其具有极好的隔热性能，并且在高温下网络结构仍能保持完整，是现阶段的研究热点。常见的隔热泡沫材料体系主要有：氧化物陶瓷体系、碳体系和非氧化物陶瓷体系。在使用过程中，氧化物陶瓷泡沫材料耐温相对较低，碳泡沫材料在有氧氛围下容易发生烧蚀，非氧化物陶瓷泡沫材料能够面向更高温领域使用，且抗氧化性较碳材料也更为优异，因此研究人员将非氧化物陶瓷泡沫材料的性能研究作为重点。
[0003]泡沫材料对热量的传递方式主要有三种：固态传热、气态传热和辐射传热。根据上述热传递方式，泡沫材料可通过以下途径获得良好隔热性能：(1)降低泡沫的密度，减弱材料的固相传热；(2)降低泡沫的孔隙率或者减小孔径，降低材料气相传热；(3)增加材料对热辐射的反射率。但是降低密度的同时会使泡沫骨架的强度更低；降低体系孔隙率会增强光子与泡沫材料的相互作用，从而增加固相传热。因此想要获得良好隔热性能，需协同优化密度、孔隙率、孔径等参数，即降低密度、增加孔隙率的同时减小孔径。在此基础上若还期望获得良好承载能力，则较为有效的办法是对材料进行微结构到宏观结构的多尺度结构设计。
[0004]微结构上，当泡沫材料由纳米颗粒、单晶纳米线或单晶纳米带等组成时，可通过调控这些纳米材料的分布和含量实现泡沫材料内部孔隙结构的优化，达到提升泡沫材料隔热性能的目的。相比纳米颗粒，单晶纳米线具有一定的长径比，通过相互搭接形成孔隙结构使泡沫材料具备良好的隔热性能，同时，单晶纳米线也可作为骨架提高泡沫材料的承载能力。宏观结构上，泡沫材料通常为均质结构或层状结构，其中均质泡沫的隔热和力学性能提升有局限，相比之下，层状泡沫的性能优化空间更大。在层状结构泡沫材料的设计中，面向隔热性能的提升要求，需使高密度材料分布在表层，低密度材料分布在芯层，这种设计可以有效降低材料的热导率；面向力学性能的提升，材料需是由轻质芯体与高密度外壳组成的夹层结构，其中低体积分数芯层能够增大结构的惯性矩，而不增加材料的质量，该结构是一种抗弯曲和屈曲载荷的有效结构。由此可见，表层高体积分数，芯层低体积分数的对称层状结构对协同提高泡沫材料的隔热和力学性能十分有利。综上所述，期待制备一种由单晶纳米线构成的层状结构非氧化物陶瓷泡沫材料，技术难点在于：(1)如何实现层状结构中不同区域单晶纳米线分布和含量的精确控制，以满足泡沫材料对不同区域孔隙率和密度的要求；(2)如何发展一种一体成型方法制备该种层状结构泡沫材料，实现层与层间的紧密结合，直接解决分层制造
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组装粘接的组合式工艺带来的工序复杂、工艺控制难度大、层间结合差、力学性能不足等问题。
[0005]在当前的研究中：Lei Su等通过裂解硅氧烷干凝胶制备出氮化硅纳米带气凝胶泡沫。氮化硅纳米带的宽度为1μm，长度为数十至数百μm。将氮化硅纳米带薄膜铺叠，通过热压
的方式，利用氮化硅纳米带氧化生成的SiO2非晶层作为粘接剂使各层纳米带薄膜组装成为不同体积分数的气凝胶泡沫宏观体(ACS Appl.Mater.Interfaces 2019,11,15795
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15803)。这种气凝胶泡沫微观上实现了单晶结构，对力学性能有益；但宏观上每层薄膜结构相同，泡沫整体呈现均质结构。Jia
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Yin Gui等采用分层溶胶
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凝胶法，对硅溶胶逐层凝胶化，再进行超临界干燥得到具有层状结构的SiO2气凝胶(J Sol
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Gel Sci Technol 2011,58:470
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475)。这种SiO2气凝胶在宏观上具有单向梯度结构特征，但是微观上由SiO2颗粒形成，相比单晶结构纳米材料构成的泡沫材料，其承载能力提升有限。这些研究多采用烧结工艺实现层与层之间的连接，不可避免地增加了工艺复杂度；而且这些研工艺方法都不能通过一步成型制备出具有层状结构的纳米线泡沫材料。
[0006]由此可见，目前尚无有关层状结构非氧化物陶瓷泡沫材料的研究报道，亟待发展新型工艺方法制备一种表层单晶纳米线体积分数高，芯层纳米线体积分数低，层间体积分数渐变过渡，层内纳米线相互搭接构建三维无序网络、形成均匀孔隙分布的层状结构非氧化物陶瓷泡沫材料。这种新型制备工艺需实现层状泡沫的一体化成型，不再通过添加烧结层进行分层制造组装连接；需实现泡沫组分的设计、各层中纳米线体积分数以及各层厚度的调控；需实现泡沫中纳米线在层内的均匀分布和层间的体积分数梯度过渡；当将该泡沫材料投入应用时，能最大程度发挥高效隔热和承载作用。

技术实现思路

[0007]要解决的技术问题
[0008]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫及制备方法，针对隔热泡沫材料提供了一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的一体化制备方法，具体涉及一种结合层状结构设计，采用聚合物转化法制备层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的方法。该方法解决了当前层状结构泡沫材料成型工艺复杂、很难实现一体化制备等问题。该方法工艺成本低、周期短、产量高、稳定性好。该方法制备的层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫具有良好的隔热性能，表层密度高，芯层密度低。各层内部为成分纯净、尺寸可控、体积分数可调、结构均匀的单晶陶瓷纳米线，层间呈现纳米线梯度渐变分布，无明显分层，结合力好。将其作为隔热材料，能够满足更严苛的服役条件。同时，该层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫兼具承载能力，有望实现结构功能一体化要求。
[0009]技术方案
[0010]一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫，其特征在于表层体积分数高于芯层体积分数，层间实现体积分数渐变过渡；层内由单晶纳米线构建均匀的孔隙，相互搭接形成三维网络骨架。
[0011]一种所述层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫一体化制备方法，其特征在于步骤如下：
[0012]步骤1.活性炭的预处理：以活性炭粉作为模板，将活性炭粉在丙酮中浸泡24
‑
48h后，在70
‑
90℃蒸馏水中浸泡30min
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1h，去除活性炭粉中的杂质；随后将活性炭粉置于真空干燥箱干燥；
[0013]步骤2.先驱体溶液的制备：将硅基陶瓷、超高温体系先驱体的有机聚合物先驱体与二甲苯/环己烷以1∶0.5～10的质量比配制成先驱体溶液，采用磁力搅拌；再以5wt.％的
比例混入催化剂，随后采用磁力搅拌；
[0014]步骤3.配合料A的制备：将步骤1的活性炭粉与步骤2中配置好的先驱体溶液混合配成活性炭负载先驱体配合料A；将配合料倒入烧杯中采用机械搅拌；
[0015]所述活性炭粉与先驱体溶液的质量比为1
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5∶1；
[0016]步骤4.配合料B的制备：将步骤1的活性炭粉与步骤2中配置好的先驱体溶液混合配成活性炭负载先驱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫，其特征在于表层体积分数高于芯层体积分数，层间实现体积分数渐变过渡；层内由单晶纳米线构建均匀的孔隙，相互搭接形成三维网络骨架。2.一种权利要求1所述层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫一体化制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1.活性炭的预处理：以活性炭粉作为模板，将活性炭粉在丙酮中浸泡24
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48h后，在70
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90℃蒸馏水中浸泡30min
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1h，去除活性炭粉中的杂质；随后将活性炭粉置于真空干燥箱干燥；步骤2.先驱体溶液的制备：将硅基陶瓷、超高温体系先驱体的有机聚合物先驱体与二甲苯/环己烷以1∶0.5～10的质量比配制成先驱体溶液，采用磁力搅拌；再以5wt.％的比例混入催化剂，随后采用磁力搅拌；步骤3.配合料A的制备：将步骤1的活性炭粉与步骤2中配置好的先驱体溶液混合配成活性炭负载先驱体配合料A；将配合料倒入烧杯中采用机械搅拌；所述活性炭粉与先驱体溶液的质量比为1
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5∶1；步骤4.配合料B的制备：将步骤1的活性炭粉与步骤2中配置好的先驱体溶液混合配成活性炭负载先驱体配合料B；将配合料倒入烧杯中采用机械搅拌；所述活性炭粉与先驱体溶液的质量比为5
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10∶1；步骤5.坯体的制备：将搅拌后的配合料A和B按照设计好的层状结构按质量比依次铺入模具中，在压片机中采用1
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10MPa的压力压制成预制体。卸载后取出压制成型的坯体；步骤6.先驱体的裂解：将压制好的坯体放入真空管式炉中裂解生长纳米线，炉内真空度...

【专利技术属性】
技术研发人员：成来飞，叶昉，郭楚楚，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：