一种SiC气凝胶高温隔热材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种SiC气凝胶高温隔热材料及其制备方法，涉及隔热材料技术领域，所述SiC气凝胶高温隔热材料的制备方法，包括以下步骤：(1)配制氧化石墨烯溶胶；(2)采用溶剂热工艺制备还原氧化石墨烯凝胶；(3)采用冷冻干燥工艺制备石墨烯气凝胶；(4)采用碳热还原工艺制备SiC气凝胶。本发明专利技术方法生产工艺简单，生产周期短，绿色环保，获得的SiC气凝胶高温隔热材料不仅具有密度低，杂物质少的优点，且具有良好的力学性能和优异的高温隔热性能，在高温隔热领域具有广阔的应用前景。热领域具有广阔的应用前景。热领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种SiC气凝胶高温隔热材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及隔热材料
，特别是涉及一种SiC气凝胶高温隔热材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]气凝胶是世界上已知密度最低的固体材料，具有三维纳米分级多孔网络结构，这样独特的结构赋予其低密度(﹤0.3g/cm3)、高比表面积(>200m2/g)和极低热导率系数(﹤0.02W/(m
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K))等特性，使其在吸附分离、保温隔热、隔声降噪、能源催化等领域具有广泛的应用前景，已成为高效绝热领域不可替代的一种材料。按照组成成分，气凝胶大致可以被分为氧化物气凝胶、有机和生物质气凝胶、碳气凝胶，陶瓷气凝胶、以及其他新型气凝胶(包括金属气凝胶、硫族化合物气凝胶、钙钛矿气凝胶等)和复合气凝胶。SiO2气凝胶及其复合材料是氧化物气凝胶中的代表，是目前应用最为广泛和成熟的气凝胶隔热材料，但使用温度一般不高于800℃；有机和生物质气凝胶不耐高温，一般应用于建筑节能领域；碳气凝胶在空气气氛下＞400℃使用易被氧化失效；而其他新型气凝胶一般用于能源催化等领域。极端条件下的隔热，例如航空航天和火电领域的长期高温服役环境，要求设计制备具有出色的稳定性和可靠性的高温隔热材料。相比之下，只有陶瓷类气凝胶具有出色的耐高温、抗氧化和抗热震性等性能，可用于1000℃以上的高温隔热。
[0003]碳化硅(SiC)气凝胶作为一种典型的陶瓷类气凝胶，还具有化学稳定性好、耐腐蚀、热膨胀系数小、红外遮蔽效应等优势，是一种非常具有潜力的高温隔热材料。Leventis N等使用聚丙烯氰交联SiO2气凝胶作为前驱体合成了块状SiC气凝胶，然而制备的SiC气凝胶存在表观密度大(～0.5g/cm3)，比表面积低(～20m2/g)等问题【Chemistry of Materials,2010,22(9):2790
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2803】。Binbin Li等以聚碳硅烷为前驱体，通过聚合物热解化学气相沉积工艺将SiC纳米线沉积在碳泡沫的孔中，然后对碳泡沫进行高温氧化去除炭泡沫模板，合成了由超长SiC纳米线组成的具有高度多孔3D结构的SiC纳米线气凝胶，密度约为0.03g/cm3，抗压强度为0.11MPa，室温He气氛下热导率为0.03W/(m
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K)【Materials Research Express,2019,6(4):045030】。专利申请号为CN201510957515.5的专利技术专利公布了一种碳化硅气凝胶及其制备方法，其由结构中含有Si
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H键的聚碳硅烷、二乙烯基苯、Pt催化剂和有机溶剂通过聚合物先驱体转化制备陶瓷法和气凝胶制备法制得，该碳化硅气凝胶比表面积为50～400m2/g，孔隙率为70～90％，密度为0.1～0.2g/cm3。然而，原料聚碳硅烷的成本高昂，不适于工业大规模生产。专利申请号为CN201911053850.7的专利申请公布了一种耐高温SiC气凝胶的制备方法，采用镁热还原，在惰性气体保护下，将气凝胶前驱体还原为SiC气凝胶，避免了还原过程中SiO气体的产生，最大程度上保持产物形貌完整，但后续纯化处理复杂、周期长、难度大。专利申请号为CN202010738436.6的专利申请公布了一种三维多孔碳化硅陶瓷气凝胶及其制备方法，包括以下步骤：将分散有氧化石墨烯和改性二氧化硅的水分散体系进行水热反应制成混合水凝胶，然后将混合水凝胶进行干燥，再将氧化石墨烯和二氧化硅的混合气凝胶在无氧条件下进行碳热还原反应即得。然而，氧化石墨烯和
二氧化硅的复合虽然有利于碳热还原反应的进行，但是二氧化硅在高温下的烧结收缩使复合材料易产生裂纹，导致所述三维多孔碳化硅陶瓷气凝胶的力学性能较差。
[0004]可见，开发一种工艺简单、低成本的制备方法合成高性能的SiC气凝胶对推动其高温隔热应用具有重要意义。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的工艺复杂、不环保、生产周期长，尤其是传统方法制备的SiC气凝胶成本较高、工艺复杂，力学性能较差等问题，本专利技术提供了一种具有良好力学性能、超低密度的SiC气凝胶高温隔热材料，以及一种低成本、工艺简单的制备所述SiC气凝胶高温隔热材料的方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]本专利技术提供一种SiC气凝胶高温隔热材料，SiC气凝胶的密度为0.025～0.15g/cm3，20％压缩应变下的压缩强度为0.2～0.8MPa，在0.1MPa氩气气氛下1000℃的热导率为0.205～0.329W/(m
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K)。
[0008]本专利技术提供一种所述SiC气凝胶高温隔热材料的制备方法，包括如下步骤：
[0009](1)配制氧化石墨烯溶胶
[0010]用水将氧化石墨烯分散液稀释，搅拌均匀，将稀释后的氧化石墨烯分散液用超声细胞粉碎机进行超声处理，超声处理过程中控制分散液温度不超过40℃，然后将超声处理后的氧化石墨烯分散液与还原剂混合均匀，制得氧化石墨烯溶胶；
[0011](2)采用溶剂热工艺制备还原氧化石墨烯凝胶
[0012]将所述氧化石墨烯溶胶进行溶剂热处理，冷却后取出，制得还原氧化石墨烯凝胶；
[0013](3)采用冷冻干燥工艺制备石墨烯气凝胶
[0014]将所述还原氧化石墨烯凝胶进行冷冻干燥处理，冷冻干燥处理结束后恢复至室温，制得石墨烯气凝胶；
[0015](4)采用碳热还原工艺制备SiC气凝胶高温隔热材料
[0016]将所述石墨烯气凝胶进行高温裂解，所述石墨烯气凝胶下部铺放硅源，抽真空后充入氩气作为保护气氛，进行碳热还原，保温，进行高温气相渗硅反应，冷却，即得SiC气凝胶高温隔热材料，具体可以是将所述石墨烯气凝胶放入高温裂解炉，石墨烯气凝胶下部铺放硅源，抽真空后充入氩气作为保护气氛，当氩气的压力达到0.1MPa后保持气体流速为10～500mL/min，按照0.5～5℃/min的升温速率升温至设定的碳热还原温度(1500～1600℃)，保温3～8h，进行高温气相渗硅反应，降温冷却后取出，即得SiC气凝胶高温隔热材料。
[0017]进一步地，步骤(1)中，稀释后的氧化石墨烯分散液浓度为3～15mg/mL。
[0018]进一步地，超声处理的频率为30～80KHz，超声处理时间为1～5h，超声处理温度为10～40℃。
[0019]进一步地，步骤(1)中，中所述还原剂为对苯二胺、聚乙烯醇、L
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抗坏血酸、硫脲、葡萄糖和维生素C中的一种或多种。
[0020]进一步地，步骤(1)中，超声处理后的氧化石墨烯分散液与还原剂的配比为100mL:0.01～0.06mol。
[0021]进一步地，步骤(2)中，溶剂热处理的温度为120～180℃，溶剂热处理的时间为5～
20h。
[0022]进一步地，步骤(3)中，冷冻干燥包括预冻和真空干燥两个过程。
[0023]进一步地，步骤(3)中，预冻的温度为
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60～...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SiC气凝胶高温隔热材料，其特征在于，SiC气凝胶的密度为0.025～0.15g/cm3，20％压缩应变下的压缩强度为0.2～0.8MPa，在0.1MPa氩气气氛下1000℃的热导率为0.205～0.329W/(m
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K)。2.一种权利要求1所述SiC气凝胶高温隔热材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)配制氧化石墨烯溶胶用水将氧化石墨烯分散液稀释，搅拌均匀，将稀释后的氧化石墨烯分散液进行超声处理，超声处理过程中控制分散液温度不超过40℃，然后将超声处理后的氧化石墨烯分散液与还原剂混合均匀，制得氧化石墨烯溶胶；(2)采用溶剂热工艺制备还原氧化石墨烯凝胶将所述氧化石墨烯溶胶进行溶剂热处理，冷却后取出，制得还原氧化石墨烯凝胶；(3)采用冷冻干燥工艺制备石墨烯气凝胶将所述还原氧化石墨烯凝胶进行冷冻干燥处理，冷冻干燥处理结束后恢复至室温，制得石墨烯气凝胶；(4)采用碳热还原工艺制备SiC气凝胶高温隔热材料将所述石墨烯气凝胶进行高温裂解，所述石墨烯气凝胶下部铺放硅源，抽真空后充入氩气作为保护气氛，进行碳热还原，保温，进行高温气相渗硅反应，保温，冷却，即得SiC气凝胶高温隔热材料。3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中，稀释后的氧化石墨烯分散液浓度为3～15mg/mL。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：杨自春，赵爽，张震，陈国兵，李昆锋，费志方，陈俊，李肖华，甘智聪，张鹏，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：