一种SiCN陶瓷气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种SiCN陶瓷气凝胶及其制备方法和应用。所述制备方法包括：以分子结构中含有Si

【技术实现步骤摘要】
一种SiCN陶瓷气凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于陶瓷气凝胶领域，具体涉及一种SiCN陶瓷气凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]气凝胶是一种由纳米粒子组成，具有三维网络骨架结构的纳米多孔材料，发达的多孔结构，赋予其与传统多孔材料不同的性质，尤其是超低的固含量和超高的孔隙率等特性使其在隔热保温、电磁屏蔽、能源化工等领域具有显著优势。目前，关于气凝胶的研究主要集中在氧化硅气凝胶和炭气凝胶，但是纯氧化硅气凝胶可以在650℃以下长期使用，800℃左右只能短期使用，且随着温度的升高，高温热导率升高较快，如相比室温其500℃的热导率升高3
‑
4倍。炭气凝胶具有高红外消光系数，随温度的升高，热导率较慢，在惰性气氛及真空环境下具有优异的耐高温和高温隔热性能，但其在氧化气氛下使用温度不超过400℃。显然这两种材料都越来越难以满足未来航空航天产业发展对轻质、高性能防隔热材料的需要，迫切需要发展耐氧化性、耐温性和高温导热系数等性能都更好的气凝胶材料。
[0003]SiCN陶瓷气凝胶具有优良的高温稳定性、抗氧化性、耐腐蚀和抗蠕变等性能。尤其通过前驱体转化法制备的SiCN陶瓷气凝胶具有组分可设计、微结构易控制等突出优势，使其成为一种非常有应用前景的耐高温气凝胶材料。CN105601317A公开了一种SiCN陶瓷气凝胶的制备方法，采用的原料包括分子结构中包含C＝C双键或同时含有Si
‑
H键的聚乙烯基硅氮烷和二乙烯基苯，通过溶胶
‑
凝胶反应和前驱体转化得到。通过包含C＝C双键和Si
‑
H的聚乙烯基硅氮烷制备SiCN陶瓷气凝胶的方法，由于是一个前驱体分子中同时含有C＝C双键和Si
‑
H，在凝胶反应后期，会由于位阻效应而使得反应终止，因此存在交联程度低、气凝胶骨架较弱等问题，不利于气凝胶微结构的控制。通过含有C＝C双键的聚乙烯基硅氮烷和二乙烯基苯制备SiCN陶瓷气凝胶的方法，由于二乙烯基苯中理论碳含量为92％，它的加入必然会引起陶瓷气凝胶中自由碳含量的升高，进而影响其高温抗氧化性能和力学性能，无法兼具密度低、气凝胶纯度高、抗氧化性能好、自由碳含量低、孔隙率高、比表面积高等性能。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术中的上述技术问题，本专利技术提供一种SiCN陶瓷气凝胶及其制备方法和应用。所述制备方法结合前驱体转化法和溶胶
‑
凝胶法，所制得的SiCN陶瓷气凝胶具有组分可调、微结构可控、自由碳含量低、陶瓷产率高、密度低、孔隙率和比表面积高等优点。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术在第一方面提供了一种SiCN陶瓷气凝胶的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0006](1)前驱体溶液的制备：以分子结构中含有Si
‑
H键的聚硅氮烷和含有
‑
CH＝CH2的硅氮烷寡聚物作为前驱体，在惰性保护气氛下，配制成前驱体溶液；
[0007](2)前驱体湿溶胶的制备：向所述前驱体溶液中加入固化剂进行固化反应，得到前
驱体湿凝胶；
[0008](3)前驱体气凝胶的制备：将所述前驱体湿凝胶干燥，得到前驱体气凝胶；
[0009](4)陶瓷气凝胶的制备：在惰性保护气氛中，将所述前驱体气凝胶进行热解，得到SiCN陶瓷气凝胶。
[0010]本专利技术在第二方面提供了一种SiCN陶瓷气凝胶，该SiCN陶瓷气凝胶采用本专利技术第一方面所述的制备方法制得。
[0011]本专利技术在第三方面提供了本专利技术第二方面所述的SiCN陶瓷气凝胶作为隔热材料在热防护、隐身、燃料重整或锂离子电池中的应用。
[0012]与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果体现在如下方面：
[0013](1)本专利技术采用一种含有大量Si
‑
H键的聚硅氮烷和一种含有
‑
CH＝CH2的硅氮烷寡聚物作为前驱体，通过硅氢加成反应而固化，反应条件温和，无需加入不饱和芳香烃类化合物，避免因陶瓷前驱体中含碳量高引起的陶瓷气凝胶中自由碳含量的升高，而且其反应活性高，可以提供的有效交联点数目更多，有利于气凝胶骨架的强健化，陶瓷产率更高。
[0014](2)本专利技术中采用的陶瓷前驱体分子结构可设计性强且合成简单，所得SiCN陶瓷气凝胶陶瓷产率高(50％以上)，组分可设计，微结构可调控(平均孔径为约8nm至15nm)。
[0015](3)本专利技术利用前驱体转化法与溶胶
‑
凝胶法相结合制备SiCN陶瓷气凝胶，制备工艺简单，密度低(0.125g/cm3以下)，气凝胶纯度高、抗氧化性能好、自由碳含量低(20重量％以下)，孔隙率高、比表面积高(约480m2/g以上)，在例如武器装备等的热防护和/或隐身以及燃料重整和锂离子电池等领域具有极大的应用潜力。
附图说明
[0016]图1本专利技术实施例5所制备的聚硅氮烷气凝胶SEM图(放大倍数为9k)。
[0017]图2本专利技术实施例5所制备的SiCN陶瓷气凝胶SEM图(放大倍数为2.5k)
[0018]图3本专利技术实施例5所制备的聚硅氮烷气凝胶TG谱图。
具体实施方式
[0019]下面结合具体实施方式对本专利技术进行进一步详细的说明。需要指出的是，这些具体实施方式的目的是为了更清晰地阐明如何实施本专利技术，本专利技术的保护范围不应限于这些具体实施方式。
[0020]如上所述，本专利技术在第一方面提供了一种SiCN陶瓷气凝胶的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0021](1)前驱体溶液的制备：以分子结构中含有Si
‑
H键的聚硅氮烷和含有
‑
CH＝CH2的硅氮烷寡聚物作为前驱体，在惰性保护气氛下，配制成前驱体溶液；
[0022](2)前驱体湿溶胶的制备：向所述前驱体溶液中加入固化剂进行固化反应，得到前驱体湿凝胶；
[0023](3)前驱体气凝胶的制备：将所述前驱体湿凝胶干燥，得到前驱体气凝胶；
[0024](4)陶瓷气凝胶的制备：在惰性保护气氛中，将所述前驱体气凝胶进行热解，得到SiCN陶瓷气凝胶。
[0025]在一些优选的实施方式中，所述聚硅氮烷的分子结构如下式(I)所示：
[0026][0027]所述硅氮烷寡聚物的分子结构如下式(II)所示：
[0028][0029]其中，n和m均为大于1的自然数，优选的是n为5～40的自然数(例如为大于或等于6、7、8、9、10、15、20、25、30、35或40)，m为12～100的自然数(例如为大于或等于13、14、15、16、17、18、19、20、25、30、35、40、50、60、70、80、90或100)；n/m为0.05～0.4(例如0.06、0.07、0.08、0.09、0.10、0.20、0.30或0.4)。
[0030]对于硅氮烷寡聚物，x优选为1～10的自然数(例如为2、3、4、5、6、7、8或9)，如果x过大，例如大于10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SiCN陶瓷气凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)前驱体溶液的制备：以分子结构中含有Si
‑
H键的聚硅氮烷和含有
‑
CH＝CH2的硅氮烷寡聚物作为前驱体，在惰性保护气氛下，配制成前驱体溶液；(2)前驱体湿溶胶的制备：向所述前驱体溶液中加入固化剂进行固化反应，得到前驱体湿凝胶；(3)前驱体气凝胶的制备：将所述前驱体湿凝胶干燥，得到前驱体气凝胶；(4)陶瓷气凝胶的制备：在惰性保护气氛中，将所述前驱体气凝胶进行热解，得到SiCN陶瓷气凝胶。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述聚硅氮烷的分子结构如下式(I)所示：所述硅氮烷寡聚物的分子结构如下式(II)所示：其中，n和m均为大于1的自然数，优选的是n为5～40的自然数，m为12～100的自然数；n/m为0.05～0.4；并且x为1～10的自然数。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述聚硅氮烷和硅氮烷寡聚物的重量比为1.2:1～1:0.3；和/或在步骤(1)和步骤(4)中，所述惰性保护气氛独立地为氮气和/或氩气。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中：所述前驱体溶液所用的溶剂选自由环己烷、正己烷、甲苯、二甲苯、石油醚和四氢呋喃中的一种或多种；优选的是，以所述前驱体溶液的总重量计，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺丽娟，刘韬，高翠雪，刘圆圆，李文静，张昊，赵英民，
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：