一种超弹性碳气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开的一种超弹性碳气凝胶及其制备方法，利用SiC或Si3N4氧化后得到的SiO2纳米线气凝胶为模板，通过化学气相沉积法在纳米线表面均匀裹覆上热解碳/石墨碳，再通过腐蚀的方法去除SiO2，保留中空碳结构。得益于超弹性碳气凝胶内部丰富的缠结/交联结点，能使其在具有高强度的同时，还具有优异的压缩回弹性，经试验证明本发明专利技术的超弹性碳气凝胶能够在压缩应变高达98％时实现完全回复，同时具有较高的力学强度，大大地提高了气凝胶的使用可靠性。该制备方法具有效率高、工艺简单、制备周期短等特点，适合用作工业化生产。适合用作工业化生产。适合用作工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种超弹性碳气凝胶及其制备方法


[0001]本专利技术属于超弹性无机材料
，具体涉及一种超弹高强碳气凝胶及其制备方法。

技术介绍

[0002]气凝胶是目前人类已知的最轻质的固体材料，具有超高的气孔率和超高的比表面积，在隔热保温、储能、催化剂载体、隔音等方面具有巨大的应用潜力。然而，传统碳气凝胶面临着脆性的缺点，导致其在实际场景应用中的可靠性大大降低。近年来，碳气凝胶的脆性问题已被逐步克服。研究人员将微米/纳米级的碳管或石墨烯片层作为构造单元，替代传统气凝胶中的纳米碳颗粒，因Sp2杂化的碳管或石墨烯具有优良的变形能力，使得气凝胶呈现较为优异的压缩回复性能。
[0003]尽管气凝胶的脆性问题得到了较好地解决，但常规的碳气凝胶在压缩变形后，其形状难以回复到初始形状，即在大的压缩应变条件下，碳管或石墨烯气凝胶易发生大的永久变形，结构稳定性较差。此外，由于此类碳气凝胶微结构中的碳管和石墨烯片层的交联/缠结程度普遍偏低，导致在90％以上的压缩应变下，对应的压缩应力通常小于200kPa，难以满足实际应用的需求。
[0004]因此，如何实现在高压缩应变条件下，碳气凝胶在具有较高力学强度的同时还兼具超弹性，是保障气凝胶服役可靠性的关键。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种超弹高强碳气凝胶及其制备方法，能够有效解决在高压缩应变条件(98％)下气凝胶易产生永久变形的技术难题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：r/>[0007]本专利技术公开了一种超弹高强碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0008]1)以SiC或Si3N4纳米线气凝胶为原料，通过高温空气氧化法，将SiC或Si3N4纳米线转化为SiO2纳米线；
[0009]2)利用化学气相沉积法在SiO2纳米线表面均匀裹覆一层热解碳/石墨碳，在SiO2纳米线之间形成非晶或多晶碳结点，构造得到具有SiO2/C核壳结构的复合气凝胶；
[0010]3)通过腐蚀法去除具有SiO2/C核壳结构的复合气凝胶中的SiO2纳米线，保留中空碳结构，制得超弹高强碳气凝胶。
[0011]优选地，步骤1)中，高温空气氧化法是在900～1100℃下进行。
[0012]优选地，步骤2)中，化学气相沉积法的具体条件为：在900～1200℃下，升温速率为0.1～10℃/min，反应装置内部气压为2～100kPa，前驱体为甲烷、丙烯和乙炔中的至少一种，气体流量为10～200mL/min，沉积时间为0.5～10h。
[0013]优选地，步骤3)中，腐蚀法是将具有SiO2/C核壳结构的复合气凝胶浸泡于HF中1～
3h。
[0014]优选地，SiC或Si3N4纳米线是由直径为30～500nm的纳米线构筑而成的多孔三维网络，通过压缩处理将密度提高至50～300mg/cm3。
[0015]本专利技术公开了采用上述的制备方法制得的超弹高强碳气凝胶，该超弹高强碳气凝胶的体积密度为5～100mg/cm3。
[0016]优选地，该超弹高强碳气凝胶的碳层厚度为5～50nm。
[0017]优选地，该超弹高强碳气凝胶的最高压缩应变达98％，且在载荷卸载后能够完全回复至初始高度。
[0018]进一步优选地，该超弹高强碳气凝胶循环压缩500次以上后弹性依然保持原来的99％以上。
[0019]进一步优选地，该超弹高强碳气凝胶在压缩应变为98％时对应的应力5～30MPa。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0021]本专利技术公开的超弹高强碳气凝胶的制备方法，利用SiC或Si3N4氧化后得到的SiO2纳米线气凝胶为模板，通过化学气相沉积法在纳米线表面均匀裹覆上热解碳/石墨碳，再通过腐蚀的方法去除SiO2，保留中空碳结构。得益于碳气凝胶内部丰富的缠结/交联结点，能使其在具有高强度的同时，还具有优异的压缩回弹性，经试验证明本专利技术的超弹高强碳气凝胶能够在压缩应变高达98％时实现完全回复，同时具有较高的力学强度，大大地提高了气凝胶的使用可靠性。该制备方法具有效率高、工艺简单、制备周期短等特点，适合用作工业化生产。
[0022]经本专利技术方法制备得到的超弹高强碳气凝胶，能够在压缩应变高达98％时实现完全回复，且循环压缩500次以上后弹性依然保持原来的99％以上。与传统碳气凝胶相比，力学强度提高10倍以上，极大地提高了气凝胶的服役可靠性，适合用于隔热保温、航空航天中的密封材料、压力传感器、催化剂载体和过滤等领域。
[0023]进一步地，该超弹高强碳气凝胶中的碳层厚度为5～50nm，碳层厚度越大，超弹性气凝胶的强度越高，但随着碳层的厚度的继续增加，气凝胶的回弹性下降，这是因为空心碳结构的弯曲模量随着直径的增加而增加，但弯曲变形能力随着直径的增加而降低。当碳层的厚度较小时，碳层厚度的增加会导致材料内部网络交联/缠结程度的增加，有利于载荷在三维网络中的传导，但当碳层厚度增至一定程度时，空心碳结构的弯曲变形能力会有所降低，致使整个三维网络压缩回复性能下降。
附图说明
[0024]图1为超弹高强碳气凝胶的微观SEM图；其中，a为低倍显微形貌，b为高倍显微形貌；
[0025]图2为超弹高强碳气凝胶的透射TEM图；其中，a为低倍TEM形貌，b为高倍TEM形貌；
[0026]图3为超弹高强碳气凝胶的Raman图；其中，a为热解碳结构；b为石墨碳结构；
[0027]图4为密度为19mg/cm3的超弹高强碳气凝胶的压缩应力应变曲线；
[0028]图5为密度为26mg/cm3的超弹高强碳气凝胶的压缩应力应变曲线；
[0029]图6为密度为37mg/cm3的超弹高强碳气凝胶的压缩应力应变曲线；
[0030]图7为密度为19mg/cm3的超弹高强碳气凝胶的宏观压缩过程；
[0031]图8为密度为19mg/cm3的超弹高强碳气凝胶的700次循环压缩应力应变曲线。
具体实施方式
[0032]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。
[0033]此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0034]下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：
[0035]首先，本专利技术提供了一种超弹高强碳气凝胶，是由中空碳结构相互交联/缠结所形成的多孔三维网络结构，碳层厚度为5～50nm，相互交联的热解碳/石墨碳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超弹高强碳气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以SiC或Si3N4纳米线气凝胶为原料，通过高温空气氧化法，将SiC或Si3N4纳米线转化为SiO2纳米线；2)利用化学气相沉积法在SiO2纳米线表面均匀裹覆一层热解碳/石墨碳，在SiO2纳米线之间形成非晶或多晶碳结点，构造得到具有SiO2/C核壳结构的复合气凝胶；3)通过腐蚀法去除具有SiO2/C核壳结构的复合气凝胶中的SiO2纳米线，保留中空碳结构，制得超弹高强碳气凝胶。2.根据权利要求1所述的超弹高强碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1)中，高温空气氧化法是在900～1100℃下进行。3.根据权利要求1所述的超弹高强碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤2)中，化学气相沉积法的具体条件为：在900～1200℃下，升温速率为0.1～10℃/min，反应装置内部气压为2～100kPa，前驱体为甲烷、丙烯和乙炔中的至少一种，气体流量为10～200mL/min，沉积时间为0.5～10h。4.根据权利要求1所述的超弹高强碳气凝胶的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红洁，庄磊，卢德，彭康，苏磊，牛敏，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：