一种增强的耐高温硅基陶瓷气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术属于新材料的制备领域，涉及一种增强的硅基陶瓷气凝胶的制备方法。本方法将硅烷偶联剂和有机硅烷与增强材料均匀混合在乙醇溶液中制得硅溶胶，其次将酚、醛与水均匀混合制备出酚醛溶胶，然后将硅溶胶与酚醛溶胶混合反应并通过凝胶、老干燥制得有机

【技术实现步骤摘要】
一种增强的耐高温硅基陶瓷气凝胶的制备方法


[0001]本专利技术属于新材料的制备领域，尤其涉及一种增强的耐高温硅基陶瓷气凝胶的制备方法。

技术介绍

[0002]气凝胶作为一种纳米多孔非晶态固体材料，具有三维纳米骨架构成的连续网络结构，具有极高的孔隙率(80％～99.8％)和比表面积(500m2/g～1000m2/g)、超低密度(0.003g/cm3)，以及低导热率、低介电常数等优异性能，典型的孔洞尺寸和纳米骨架颗粒均在1～100nm范围内，是目前人类已知最轻的固体，在民用领域可用于建筑隔热、管道隔热、液态石油天然气的运输及保冷、新能源动力电池热防护等方面，用于管道隔热，所需材料仅为传统隔热材料(例：岩棉、玻璃纤维、陶瓷纤维、预氧丝纤维)的五分之一到二分之一，并且其隔热性能远优于其他同类产品；在军用领域可用于特种车辆隔热、火箭发射器隔热及高超声速飞行器的隔热部件等。
[0003]但传统氧化硅气凝胶到目前为止依旧无法在极限环境下稳定使用。主要因为气凝胶超的氧化硅气凝胶结构会在650℃时反应裂解，使其在高温下的结构稳定性遭到破坏。气凝胶在高温隔热绝热的应用，需要与其他无机隔热材料复合才能够保证一定的可靠性，但同时也会增加其成本和材料密度。SiC、Si3N4及SiOCN等陶瓷材料具有高模量、高强度、抗热震、耐高温、抗氧化和透波性能，在航空航天、机械、化工领陶瓷气凝胶，有望克服传统气凝胶的耐温性低的缺陷，同时实现陶瓷材料的多功能化。但是，目前还鲜有关于这种气凝胶的相关报道。

技术实现思路

[0004]本专利技术的是为了改进现有技术得不足而提供了一种增强的耐高温硅基陶瓷气凝胶的制备方法。
[0005]本专利技术得技术方案为：一种增强的耐高温硅基陶瓷气凝胶的制备方法，其具体步骤如下：
[0006](1)增强材料通过高速剪切分散机在乙醇中分散均匀，然后加入有机硅烷、硅烷偶联剂和烧结助剂形成溶液一，其中硅烷偶联剂和有机硅烷的摩尔比为1:(0.01～10)，硅烷偶联剂与烧结助剂的摩尔比为1:(0.001～0.1)；硅烷偶联剂和有机硅烷的总体积与乙醇的体积比为1:(0.5～4)；增强材料在溶液一中的含量为0.1～50g/L；
[0007](2)酚、醛与水搅拌混合均匀形成溶液二，其中酚、醛、水的摩尔比为1:(1.9～2.5):(2～16)；
[0008](3)将溶液一和溶液二按照酚与总硅的摩尔比为1:(1～6)混合，搅拌均匀得到溶液三；
[0009](4)将溶液三静置得到湿凝胶，湿凝胶在乙醇溶液中老化至凝胶强度为2000～5000gf后，进行二氧化碳超临界干燥得到增强的有机
‑
氧化硅复合气凝胶；
[0010](5)将有机
‑
氧化硅复合气凝胶在氮气气氛中热处理，得到增强的硅基陶瓷气凝胶。
[0011]优选步骤(1)中所述的增强材料为短切陶瓷纤维或石墨烯；所述的有机硅烷为正硅酸四乙酯或正硅酸四甲酯。
[0012]优选步骤(1)中所述的硅烷偶联剂为3
‑
氨丙基三甲氧基硅烷、3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、N
‑
氨乙基
‑
γ
‑
氨丙基三乙氧基硅烷或3
‑
氨丙基甲基二乙氧基硅烷；所述的烧结助剂为氧化镁、氧化钇、氧化铝或氧化钙。
[0013]优选步骤(1)中高速剪切分散机的转速为5000～30000rpm。
[0014]优选步骤(2)中所述的酚为间苯二酚、间苯三酚、邻苯二酚、对苯二酚、混甲酚或甲酚。
[0015]优选步骤(2)中所述的醛为甲醛、糠醛、戊二醛或对苯二甲醛。
[0016]优选步骤(4)中所述的静置温度为20
‑
60℃；乙醇溶液的体积用量为硅烷偶联剂体积的1～10％。
[0017]优选步骤(5)中所述的热处理机制为：1
‑
2℃/min的速率升温至600
‑
900℃，保温2
‑
4h，1
‑
2℃/min的速率升温至1300
‑
1700℃，保温5
‑
10h，1
‑
2℃/min的速率降温至室温。
[0018]本专利技术所制得的耐高温硅基陶瓷气凝胶得结构和性能特征为：密度0.1～0.4g/cm3、抗压强度1.5～4MPa、耐温1200～1600℃、室温导热系数0.019～0.04W/(m
·
K)、比表面积200～800m2/g；外观为黑色或灰色块状材料。
附图说明
[0019]图1为实例1制得的耐高温硅基陶瓷气凝胶的照片；
[0020]图2为实例1制得的耐高温硅基陶瓷气凝胶的应力
‑
应变曲线；
[0021]图3为实例1制得的耐高温硅基陶瓷气凝胶的N2吸附
‑
脱附等温线与孔径分布图；
[0022]图4为实例1制得的耐高温硅基陶瓷气凝胶的XRD图。
具体实施方式
[0023]实例1
[0024]短切陶瓷纤维通过10000rpm的高速剪切分散机在乙醇中分散均匀，然后加入正硅酸四乙酯、3
‑
氨丙基三甲氧基硅烷和氧化铝形成溶液一，其中正硅酸四乙酯和3
‑
氨丙基三甲氧基硅烷的摩尔比为1：0.01，正硅酸四乙酯和3
‑
氨丙基三甲氧基硅烷的总体积与乙醇的体积比为1:1，短切陶瓷纤维相对于溶剂一的含量为10g/L；硅烷偶联剂与氧化铝的摩尔比为1:0.005，间苯二酚、甲醛与水搅拌混合均匀形成溶液二，其中间苯二酚、甲醛与水的摩尔比为1：2：5；溶液一和溶液二搅拌混合均匀得到溶液三，其中间苯二酚与总硅(正硅酸四乙酯和3
‑
氨丙基三甲氧基硅烷)的摩尔比为1：4。溶液三在50℃静置得到湿凝胶，湿凝胶在3
‑
氨丙基三甲氧基硅烷体积分数10％的乙醇溶液中老化至凝胶强度为5000gf后进行二氧化碳超临界干燥得到增强的有机/氧化硅复合气凝胶。然后在氮气气氛中2℃/min的速率升温至800℃，保温2h后，2℃/min的速率升温至1500℃，保温6h，2℃/min的速率降温至室温，得到增强的硅基陶瓷气凝胶，外观为黑色块状材料(附图1)、密度0.2g/cm3、抗压强度3.5MPa(附图2)、耐温1600℃、室温导热系数0.019W/(m
·
K)、比表面积800m2/g，N2吸附脱附等温线
如图3所示，外观为黑色块状材料，通过XRD测试其主要成分为：Si3N4、SiC、SICN，(附图4)。
[0025]实例2
[0026]短切陶瓷纤维通过5000rpm的高速剪切分散机在乙醇中分散均匀，然后加入正硅酸四甲酯、3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷和氧化镁形成溶液一，其中正硅酸四甲酯和3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷的摩尔比为1：0.1，正硅酸四甲酯和3
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增强的耐高温硅基陶瓷气凝胶的制备方法，其步骤包括：(1)增强材料通过5000～30000rpm的高速剪切分散机在乙醇中分散均匀，然后加入有机硅烷、硅烷偶联剂和烧结助剂形成溶液一，其中硅烷偶联剂和有机硅烷的摩尔比为1:(0.01～10)，硅烷偶联剂和有机硅烷的总体积与乙醇的体积比为1:(0.5～4)，增强材料相对于溶液一的含量为0.1～50g/L，硅烷偶联剂与烧结助剂的摩尔比为1:(0.001～0.1)；(2)酚、醛与水搅拌混合均匀形成溶液二，其中酚、醛、水的摩尔比为1:(1.9～2.5):(2～16)；(3)所述的溶液一和溶液二搅拌混合均匀得到溶液三，其中酚与总硅的摩尔比为1:(1～6)；(4)所述的溶液三在20
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60℃静置得到湿凝胶，湿凝胶在硅烷偶联剂体积分数1～10％的乙醇溶液中老化至凝胶强度为2000～5000gf后进行二氧化碳超临界干燥得到增强的有机/氧化硅复合气凝胶。(5)所述的有机/氧化硅复合气凝胶在氮气气氛中热处理得到增强的硅基陶瓷气凝胶。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中所述的增强材料为短切陶瓷纤维或石墨烯。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中所述的有机硅烷为正硅酸四乙酯或正硅酸四甲酯。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中所述的硅烷偶联剂为3
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氨丙基三甲氧基硅烷、3
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【专利技术属性】
技术研发人员：任建，赵志扬，徐富豪，孔勇，沈晓冬，
申请(专利权)人：江苏瑞盈新材料科技发展有限公司江苏安珈新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：