本发明专利技术涉及一种耐高温高弹性碳化硅@氧化物陶瓷核壳纳米纤维气凝胶材料及其制备方法，所述方法：将碳源和硅源进行化学气相沉积反应，得到SiC纳米纤维；将SiC纳米纤维进行氧化处理，得到SiC@SiO2单核壳结构纳米纤维；将SiC@SiO2单核壳结构纳米纤维进行原子层沉积处理，得到SiC@SiO2@氧化物陶瓷双核壳结构纳米纤维；将得到的双核壳结构纳米纤维进行分散，然后依次进行预冷冻、冷冻干燥和热退火处理，得到耐高温高弹性碳化硅@氧化物陶瓷核壳纳米纤维气凝胶材料。本发明专利技术能将碳化硅纳米线气凝胶有氧环境下耐温性从不到1000℃明显提升，所制备的材料具有耐高温、高弹性、超轻质、高隔热等显著优势。高隔热等显著优势。高隔热等显著优势。
【技术实现步骤摘要】
一种耐高温高弹性碳化硅@氧化物陶瓷核壳纳米纤维气凝胶材料及其制备方法
[0001]本专利技术属于碳化硅纳米纤维气凝胶
，尤其涉及一种耐高温高弹性碳化硅@氧化物陶瓷核壳纳米纤维气凝胶材料及其制备方法。
技术介绍
[0002]碳化硅气凝胶是一类由碳化硅纳米颗粒或者碳化硅纳米线作为构筑基元，通过在三维空间进行连接或者搭接而形成的纳米多孔材料，碳化硅材料本征属性赋予该类型气凝胶具有耐高温、低热膨胀、抗热震性、抗氧化和耐腐蚀等众多优异的性能，因此，碳化硅气凝胶在极端热环境和高腐蚀性环境下的高温隔热、电磁吸波、过滤和吸附等多领域均具有广阔的应用前景。
[0003]常规碳化硅气凝胶是由纳米颗粒形成的，表现出典型的珍珠项链结构，一般是由有机/SiO2复合气凝胶碳热还原法采用SiO2气凝胶作为支撑骨架，所制备的SiC气凝胶继承了SiO2气凝胶的微观形貌结构，如中国专利申请CN102910926A、CN114315365A、CN103864076A等；此外，亦可以通过聚碳硅烷、二乙烯基苯等前驱体发生硅氢加成反应和高温裂解，形成SiC气凝胶，如中国专利申请CN105600785A、CN107324339A、CN112537964A等。然而这种由于纳米颗粒之间不充分连接而形成的碳化硅气凝胶表现出的是脆性力学特征，极大地限制了其在弹性领域的应用。
[0004]SiC纳米线不仅具有SiC陶瓷的优异性质，还表现出优异的柔性、弹性、高弯曲强度和杨氏模量，因此制备三维SiC纳米线气凝胶是改善SiC气凝胶脆性的重要思路。现有技术有报道通过将提供一氧化碳气体的碳源与提供一氧化硅气体的硅源在惰性气氛下进行化学气相沉积反应生成碳化硅纳米纤维，进而交织成三维碳化硅纳米纤维气凝胶，如中国专利申请CN113968582A等。这种由一维碳化硅纳米线组成的碳化硅气凝胶近年来引起了人们的广泛关注。
[0005]然而，虽然当前制备的碳化硅纳米纤维气凝胶具有优异的阻燃性能(耐火焰烧蚀性)，往往能耐受1200℃左右的丁烷火焰考核，但是其在有氧环境超过900℃高温下会发生氧化，在高温空气下或快速热冲击下易遭受结构退化，从而极大限制了其在高温有氧环境下的实际应用。这是因为组成碳化硅纳米纤维气凝胶的SiC纳米线的尺寸在20～100nm之间，相对于SiC微米纤维而言，其比表面能更大、表面少量晶格缺陷造成的影响更大，因而在高温下更容易氧化，无法达到SiC微米纤维具备的耐温性。因此，如何在不影响SiC纳米纤维优异弹性力学性能的同时，实现对SiC纳米纤维的抗氧化性能改善，是制备耐高温高弹性碳化硅纳米纤维气凝胶的关键技术。
技术实现思路
[0006]为了解决现有技术中存在的一个或者多个技术问题，本专利技术提供了一种耐高温高弹性碳化硅@氧化物陶瓷核壳纳米纤维气凝胶材料及其制备方法。本专利技术所制备的耐高温
高弹性碳化硅@氧化物陶瓷核壳纳米纤维气凝胶材料具有独特的核壳纳米结构，相比现有技术制备的碳化硅纳米纤维气凝胶材料具有耐高温、高弹性、超轻质、高隔热等显著优势。
[0007]本专利技术在第一方面提供了一种耐高温高弹性碳化硅@氧化物陶瓷核壳纳米纤维气凝胶材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0008](1)将碳源和硅源进行化学气相沉积反应，得到SiC纳米纤维；
[0009](2)将所述SiC纳米纤维进行氧化处理，得到SiC@SiO2单核壳结构纳米纤维；
[0010](3)将所述SiC@SiO2单核壳结构纳米纤维进行原子层沉积处理，得到SiC@SiO2@氧化物陶瓷双核壳结构纳米纤维；
[0011](4)用水将所述SiC@SiO2@氧化物陶瓷双核壳结构纳米纤维分散均匀，得到核壳结构纳米纤维分散液，然后所述核壳结构纳米纤维分散液依次进行预冷冻和冷冻干燥的步骤，得到SiC@SiO2@氧化物陶瓷双核壳结构纳米纤维气凝胶；
[0012](5)将所述SiC@SiO2@氧化物陶瓷双核壳结构纳米纤维气凝胶进行热退火处理，得到耐高温高弹性碳化硅@氧化物陶瓷核壳纳米纤维气凝胶材料。
[0013]优选地，步骤(1)得到的所述SiC纳米纤维的平均直径为20～100nm；步骤(2)得到的SiC@SiO2单核壳结构纳米纤维包含的SiO2壳层的平均厚度为2～20nm优选为7nm；和/或步骤(3)得到的所述SiC@SiO2@氧化物陶瓷双核壳结构纳米纤维包含的氧化物陶瓷壳层的平均厚度为2～20nm优选为6nm。
[0014]优选地，步骤(2)包括如下子步骤：
[0015](a)将SiC纳米纤维置于气氛炉中，在氩气气氛环境下升温至氧化处理温度；
[0016](b)通过调节氧气气流和氩气气流控制氧含量，在有氧环境下对SiC纳米纤维进行氧化处理；
[0017](c)在氩气气氛下，随炉冷却至室温，得到SiC@SiO2单核壳结构纳米纤维。
[0018]优选地，在步骤(b)中，所述氧气的进气速率为0.01～2mL/min优选为0.5mL/min，所述氩气的进气速率为3～50mL/min优选为25mL/min；所述氧化处理温度为700～1200℃优选为900℃；和/或所述氧化处理的时间为5～240min优选为30min。
[0019]优选地，所述氧化物陶瓷为氧化铝、氧化锆、氧化铪中的一种或多种。
[0020]优选地，步骤(3)包括如下子步骤：
[0021]S1、将SiC@SiO2单核壳结构纳米纤维放置在原子层沉积设备腔体中，使氧化物陶瓷前驱体以脉冲的方式进入原子层沉积设备腔体中并化学吸附在SiC@SiO2单核壳结构纳米纤维表面，用氮气将多余的氧化物陶瓷前驱体吹扫出原子层沉积设备腔体；
[0022]S2、使超纯水以脉冲的方式进入原子层沉积设备腔体中并与步骤S1中化学吸附在SiC@SiO2单核壳结构纳米纤维表面的氧化物陶瓷前驱体发生沉积反应，用氮气将多余的超纯水及发生沉积反应后产生的副产物吹扫出原子层沉积设备腔体；
[0023]S3、依次重复步骤S1和步骤S2多次，直至在SiC@SiO2单核壳结构纳米纤维表面上所形成的氧化物陶瓷壳层的厚度达到预设厚度，得到SiC@SiO2@氧化物陶瓷双核壳结构纳米纤维。
[0024]优选地，所述氧化物陶瓷前驱体为三甲基铝；所述氧化物陶瓷前驱体的脉冲时间为0.08～0.25s优选为0.15s；所述超纯水的脉冲时间为0.1～0.35s优选为0.25s；在步骤S1和步骤S2中，用氮气进行吹扫的时间为10～120s优选为60s；进行沉积反应的温度为40～
100℃优选为65℃；和/或依次重复步骤S1和步骤S2的次数为22～222次优选为67次。
[0025]优选地，所述核壳结构纳米纤维分散液中含有的SiC@SiO2@氧化物陶瓷双核壳结构纳米纤维的质量浓度为0.06～8％优选为2％；和/或用水将所述SiC@SiO2@氧化物陶瓷双核壳结构纳米纤维在1500～3000rpm下搅拌1～3h分散均匀，得到核壳结构纳米纤维分散液。
[0026]优选地，所述预冷本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种耐高温高弹性碳化硅@氧化物陶瓷核壳纳米纤维气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)将碳源和硅源进行化学气相沉积反应，得到SiC纳米纤维；(2)将所述SiC纳米纤维进行氧化处理，得到SiC@SiO2单核壳结构纳米纤维；(3)将所述SiC@SiO2单核壳结构纳米纤维进行原子层沉积处理，得到SiC@SiO2@氧化物陶瓷双核壳结构纳米纤维；(4)用水将所述SiC@SiO2@氧化物陶瓷双核壳结构纳米纤维分散均匀，得到核壳结构纳米纤维分散液，然后所述核壳结构纳米纤维分散液依次进行预冷冻和冷冻干燥的步骤，得到SiC@SiO2@氧化物陶瓷双核壳结构纳米纤维气凝胶；(5)将所述SiC@SiO2@氧化物陶瓷双核壳结构纳米纤维气凝胶进行热退火处理，得到耐高温高弹性碳化硅@氧化物陶瓷核壳纳米纤维气凝胶材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)得到的所述SiC纳米纤维的平均直径为20～100nm；步骤(2)得到的SiC@SiO2单核壳结构纳米纤维包含的SiO2壳层的平均厚度为2～20nm优选为7nm；和/或步骤(3)得到的所述SiC@SiO2@氧化物陶瓷双核壳结构纳米纤维包含的氧化物陶瓷壳层的平均厚度为2～20nm优选为6nm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)包括如下子步骤：(a)将SiC纳米纤维置于气氛炉中，在氩气气氛环境下升温至氧化处理温度；(b)通过调节氧气气流和氩气气流控制氧含量，在有氧环境下对SiC纳米纤维进行氧化处理；(c)在氩气气氛下，随炉冷却至室温，得到SiC@SiO2单核壳结构纳米纤维。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在步骤(b)中，所述氧气的进气速率为0.01～2mL/min优选为0.5mL/min，所述氩气的进气速率为3～50mL/min优选为25mL/min；所述氧化处理温度为700～1200℃优选为900℃；和/或所述氧化处理的时间为5～240min优选为30min。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述氧化物陶瓷为氧化铝、氧化锆、氧化铪中的一种或多种。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)包括如下子步骤：S1、将SiC@SiO2单核壳结构纳米纤维放置在原子层沉积设备腔体中，使氧化物陶瓷前驱体以脉冲的方式进入原子层沉积设备腔体中并化学吸附在SiC@SiO2单核壳结构纳米纤维表面，用氮气将多余的氧化物陶瓷前驱体吹扫出原子层沉积设备腔体；S2、使超纯水以脉冲的方式进入原子层沉积设备腔体中并与步骤S1中化学...
【专利技术属性】
技术研发人员：张晚林，刘圆圆，李文静，黄红岩，张恩爽，
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：
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