一种增强隔热二氧化锆复合陶瓷气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术属于陶瓷材料技术领域，公开了一种增强隔热二氧化锆复合陶瓷气凝胶及其制备方法，先以八水氯氧锆为原料，十六烷基三甲基溴化铵为分散剂，环氧丙烷为交联剂，通过溶胶

【技术实现步骤摘要】
一种增强隔热二氧化锆复合陶瓷气凝胶及其制备方法


[0001]本专利技术属于陶瓷材料
，具体来说，是涉及一种基于复合陶瓷气凝胶材料及其制备方法。
技术背景
[0002]气凝胶材料的孔径小于空气平均自由程，在导热过程中限制了气体对流，因此表现出极低的热导率。ZrO2颗粒气凝胶具有多级结构，初级粒子作为小单元相互连接形成次级粒子，次级粒子相互交联形成枝状团簇体，在团簇体间存在直径约20nm的气孔。而在高温下，气凝胶的高比表面积使表面能增加，为了达到稳定状态，相互接触的初级粒子会出现颈缩现象，以降低表面自由能。这将使气凝胶内部的纳米孔结构破坏，团簇现象越来越明显，热处理温度高于800℃后，骨架结构坍塌，密度显著增大，热导率也急剧上升，此时已不具备气凝胶轻质多孔的典型特征，可以认为其隔热性能已失效，且颗粒状气凝胶无法作为结构材料直接应用于化工等领域。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有颗粒气凝胶材料在耐高温、力学性能等方面的技术不足，提供了一种增强隔热ZrO2复合陶瓷气凝胶及其制备方法，以ZrO2颗粒气凝胶为基体材料，以聚硼硅氮烷或聚碳硅烷的陶瓷先驱体作为粘合剂，经水热反应和超临界干燥得到ZrO2复合气凝胶先驱体；而后再经高温裂解形成增强隔热ZrO2复合陶瓷气凝胶；该气凝胶材料赋予ZrO2颗粒气凝胶良好的结构力学性，并能有效提升ZrO2气凝胶的高温稳定性；在具有高温稳定性和优异力学性能的同时，还可以作为结构材料直接应用于工业生产制造中，实现高强隔热。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术通过以下的技术方案予以实现：
[0005]根据本专利技术的一个方面，提供了一种增强隔热二氧化锆复合陶瓷气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
[0006](1)以八水氯氧锆为原料，十六烷基三甲基溴化铵为分散剂，环氧丙烷为交联剂，通过溶胶
‑
凝胶法和超临界干燥制得ZrO2颗粒气凝胶；
[0007](2)将所述ZrO2颗粒气凝胶放入模具中，通过真空浸渍引入聚硼硅氮烷陶瓷先驱体或聚碳硅烷陶瓷先驱体，经水热反应和超临界干燥得到三维网络结构的ZrO2复合气凝胶先驱体；所述聚硼硅氮烷陶瓷先驱体或所述聚碳硅烷陶瓷先驱体作为粘结相将所述ZrO2颗粒气凝胶粘接成块状结构；
[0008](3)将所述ZrO2复合气凝胶先驱体进行高温裂解，形成增强隔热ZrO2复合陶瓷气凝胶。
[0009]进一步地，步骤(1)包括如下步骤：将八水氯氧锆加入到乙醇水溶液中，在室温下搅拌至混合均匀；在搅拌过程中加入十六烷基三甲基溴化铵直至溶液变得澄清透明，加入环氧丙烷搅拌均匀后倒入模具中，静置得到湿凝胶；湿凝胶在无水乙醇中老化后，经超临界干燥得到所述ZrO2颗粒气凝胶。
[0010]进一步地，所述八水氯氧锆为6
‑
15质量份、所述十六烷基三甲基溴化铵为0.5
‑
2质量份、所述环氧丙烷为1
‑
6质量份。
[0011]进一步地，步骤(2)包括如下步骤：将步骤(1)得到的所述ZrO2颗粒气凝胶与所述聚硼硅氮烷陶瓷先驱体或所述聚碳硅烷陶瓷先驱体、交联剂混合后充分搅拌，倒入模具中，通过真空浸渍使所述聚硼硅氮烷陶瓷先驱体或所述聚碳硅烷陶瓷先驱体与所述ZrO2颗粒气凝胶充分接触、润湿，随后进行水热反应，获得复合湿凝胶；所述复合湿凝胶老化后，经超临界干燥得到所述ZrO2复合气凝胶先驱体。
[0012]进一步地，所述聚硼硅氮烷陶瓷先驱体或所述聚碳硅烷陶瓷先驱体的重均分子量均为 5000
‑
8000g/mol。
[0013]进一步地，所述ZrO2颗粒气凝胶与所述陶瓷先驱体的质量比为(1～15)：(1～10)。
[0014]进一步地，所述ZrO2颗粒气凝胶与所述陶瓷先驱体的混合搅拌时间为1～3h。
[0015]进一步地，所述水热反应的条件为150
‑
200℃下反应1
‑
6h。
[0016]进一步地，步骤(3)中所述高温裂解的温度为800
‑
1400℃，并且在氮气保护条件下进行。
[0017]根据本专利技术的另一个方面，提供了一种增强隔热二氧化锆复合陶瓷气凝胶，由上述制备方法得到。
[0018]本专利技术的有益效果是：
[0019]本专利技术的增强隔热二氧化锆复合陶瓷气凝胶及其制备方法，构建了双相陶瓷气凝胶三维网络结构，有效解决现有颗粒气凝胶高温团聚、隔热性能下降的技术瓶颈。以ZrO2颗粒气凝胶作为基体材料，经真空浸渍引入聚硼硅氮烷或聚碳硅烷的陶瓷先驱体作为粘结相，经超临界干燥、高温裂解后，陶瓷先驱体转化为Si
‑
B
‑
C
‑
N或Si
‑
C陶瓷气凝胶粘结于ZrO2颗粒气凝胶表面，形成两相均为陶瓷气凝胶的三维结构材料。复合陶瓷气凝胶中，基体材料与粘结相具有较高的相容性和界面结合力，可以起到应力传递的作用。在裂解条件下，陶瓷先驱体包覆在ZrO2颗粒气凝胶表面，通过改变裂解温度可以调控陶瓷气凝胶的网络结构。三维网络结构构建后，复合陶瓷气凝胶具有一定强度，同时相界面也能够有效传递载荷，赋予材料良好的力学性能；同时两相气凝胶的多级孔结构赋予了材料良好的隔热性能。
[0020]与传统的ZrO2颗粒气凝胶相比，本专利技术的增强隔热二氧化锆复合陶瓷气凝胶具有宏观块状结构，能够承受的抗压强度为5.32Mpa，且热导率低至0.0437W
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m
‑1K
‑1，具有优异的力学性能和良好的高温隔热性能，在民用、军事、航空航天等领域具有重要的应用前景。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例1
‑
3所制备三维网络结构ZrO2复合气凝胶先驱体以及实施例4
‑
5 所制备增强隔热ZrO2复合陶瓷气凝胶的压缩性能曲线图；
[0022]图2为本专利技术实施例1
‑
3所制备增强隔热ZrO2复合陶瓷气凝胶的(a)氮气吸附
‑
脱附及 (b)孔径分布曲线图；
[0023]图3为本专利技术实施例4所制备增强隔热ZrO2复合陶瓷气凝胶的(a)氮气吸附
‑
脱附及(b) 孔径分布曲线图；
[0024]图4为本专利技术实施例5所制备增强隔热ZrO2复合陶瓷气凝胶的(a)氮气吸附
‑
脱附及(b) 孔径分布曲线图；
[0025]图5为本专利技术实施例1
‑
3所制备三维网络结构ZrO2复合气凝胶先驱体以及实施例4
‑
5 所制备增强隔热ZrO2复合陶瓷气凝胶的热重曲线；
[0026]图6为本专利技术(a)实施例6，(b)实施例7和(c)实施例4所制备增强隔热ZrO2复合陶瓷气凝胶的SEM图；
[0027]图7为本专利技术制备机理图以及实施例5所制备增强隔热ZrO2复合陶瓷气凝胶的TEM 图；
[0028]图8为本专利技术实施例5所制备增强隔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增强隔热二氧化锆复合陶瓷气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)以八水氯氧锆为原料，十六烷基三甲基溴化铵为分散剂，环氧丙烷为交联剂，通过溶胶
‑
凝胶法和超临界干燥制得ZrO2颗粒气凝胶；(2)将所述ZrO2颗粒气凝胶放入模具中，通过真空浸渍引入聚硼硅氮烷陶瓷先驱体或聚碳硅烷陶瓷先驱体，经水热反应和超临界干燥得到三维网络结构的ZrO2复合气凝胶先驱体；所述聚硼硅氮烷陶瓷先驱体或所述聚碳硅烷陶瓷先驱体作为粘结相将所述ZrO2颗粒气凝胶粘接成块状结构；(3)将所述ZrO2复合气凝胶先驱体进行高温裂解，形成增强隔热ZrO2复合陶瓷气凝胶。2.根据权利要求1所述的一种增强隔热二氧化锆复合陶瓷气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)包括如下步骤：将八水氯氧锆加入到乙醇水溶液中，在室温下搅拌至混合均匀；在搅拌过程中加入十六烷基三甲基溴化铵直至溶液变得澄清透明，加入环氧丙烷搅拌均匀后倒入模具中，静置得到湿凝胶；湿凝胶在无水乙醇中老化后，经超临界干燥得到所述ZrO2颗粒气凝胶。3.根据权利要求2所述的一种增强隔热二氧化锆复合陶瓷气凝胶的制备方法，其特征在于，所述八水氯氧锆为6
‑
15质量份、所述十六烷基三甲基溴化铵为0.5
‑
2质量份、所述环氧丙烷为1
‑
6质量份。4.根据权利要求1所述的一种增强隔热二氧化锆复合陶瓷气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)包括如下步骤：将步骤(1)得到的所述ZrO2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪丽，袁文津，刘文成，睢颖，刘玮，陈建宇，楚晓雨，
申请(专利权)人：天津城建大学，
类型：发明
国别省市：