一种高温稳定性SiZrOC气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术公开一种高温稳定性SiZrOC气凝胶的制备方法，包括步骤一、硅源、碳源混合水解制得溶液A，步骤二、锆源水解制得溶液B并与溶液A混合制得SiZrOC有机前驱体溶液，步骤三、SiZrOC气凝胶前驱体湿凝胶的制备，步骤四、SiZrOC气凝胶前驱体凝胶的制备，步骤五、热解处理得到部分相分离的SiZrOC气凝胶，步骤六、深化相分离灼烧制得SiZrOC气凝胶；本发明专利技术通过在溶胶和老化过程中引入锆源，提升了颗粒烧结温度，在高温下保持更好的三维孔结构，具备更优异的耐温性能。经过热解和深度相分离灼烧后气凝胶均匀分布微晶四方二氧化锆，并产生大量高热稳定性Si

【技术实现步骤摘要】
一种高温稳定性SiZrOC气凝胶的制备方法


[0001]本专利技术涉及隔热材料
，尤其涉及一种高温稳定性SiZrOC气凝胶的制备方法。

技术介绍

[0002]气凝胶的连续无规的三维纳米网状结构是其表现超级绝热性能的关键。但是氧化物气凝胶(如氧化硅、氧化锆、氧化铝)在高温(600～1000℃)下易发生收缩、烧结或相变，高温耐受性差。炭气凝胶在惰性氛围中或在抗氧化涂层的保护下在2000～3000℃高温隔热表现出色，但在有氧条件下350℃以上就发生氧化，影响了材料的隔热性能。尽管通过在材料表面覆涂抗氧化层可以在一定程度上抑制氧化现象的发生，但抗氧化层在长期使用后产生的漏洞决定了炭气凝胶隔热材料的使用寿命不会长久，难以胜任长时间高温条件下的隔热工作。
[0003]SiOC气凝胶具有C和O同时与Si相结合的化学结构特征。这一四面体网络结构可定义为SiO
X
C4‑
X
(X＝1，2或3)。每一个碳原子取代一个氧原子，就增加了两个化学键，化学键的增加可以增强网络结构的强度，有利于材料的热稳定定性以及机械性能的提高。但是当热解温度持续升高时，SiOC气凝胶会由于碳热还原反应导致质量损失和结构破坏。更为重要的是，由于SiO2骨架结构的自身限制，高温热解下一次粒子相互接触的颈部出现颈缩，造成收缩并团簇。导致颗粒烧结，纳米孔结构破坏，逐渐脱离气凝胶范畴。
[0004]如何提高SiOC气凝胶颗粒烧结温度，延缓SiOC气凝胶在高温下的过度相分离及碳热还原反应，提升材料的高温热稳定性成为SiOC气凝胶研究领域的热点之一，因此，本专利技术提出一种高温稳定性SiZrOC气凝胶的制备方法以解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的在于提出一种高温稳定性SiZrOC气凝胶的制备方法，该高温稳定性SiZrOC气凝胶的制备方法通过在溶胶和老化过程中引入锆源，提升了一次粒子颈缩和颗粒烧结的温度，在高温下保持更好的三微孔结构，表现出了更优异的耐温性能。经过高温热解后，发生断键重排反应及ZrO2的结晶，最终生成由无定形SiOC、无定形ZrO2、微晶四方二氧化锆(t
‑
ZrO2)、微晶SiC及游离碳相组成的SiZrOC气凝胶。深化相分离灼烧可以进一步提升具备高热稳定性的Si
‑
O
‑
C结构数量，而SiZrOC气凝胶均匀分布着微晶t
‑
ZrO2，并且这显著延缓了SiO
x
C4‑
x
基体结构中自由碳相的分离，游离碳的石墨化进程并抑制SiC的结晶，提升气凝胶Si
‑
O
‑
C结构数量，抑制SiO
x
C4‑
x
中的富炭单位在此过程中的生成。同时结构中晶粒的存在有利于提高气凝胶的高温遮挡红外辐射能力，有效的降低了高温热导率具备优异的耐温性能和高温隔热性能能。
[0006]为实现本专利技术的目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种高温稳定性SiZrOC气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一、将硅源、碳源和乙醇混合处理0.5～1小时，再加入去离子水和酸催化剂进
行水解处理，得到溶液A保存备用；
[0008]步骤二、将锆源、乙醇和去离子水混合，然后加入酸催化剂水解处理，得到溶液B，并将溶液B加入至步骤一中的溶液A中进行搅拌混合，得到SiZrOC有机前驱体溶液备用；
[0009]步骤三、向SiZrOC有机前驱体溶液中加入促凝剂混合搅拌，得到SiZrOC气凝胶前驱体湿凝胶；
[0010]步骤四、将步骤三中得到的SiZrOC气凝胶前驱体湿凝胶进行老化和干燥处理，得到SiZrOC气凝胶前驱体凝胶；
[0011]步骤五、将步骤四中得到的SiZrOC气凝胶前驱体凝胶置于管式炉中，通入惰性气体后升温至热解温度进行热解处理，随后保温进行热解后得到部分相分离的SiZrOC气凝胶；
[0012]步骤六、将步骤五中得到的部分相分离的SiZrOC气凝胶置于马弗炉中，在有氧气氛下进行深化相分离灼烧，最终得到SiZrOC气凝胶。
[0013]进一步改进在于：所述步骤一中硅源为正硅酸四乙酯，碳源为甲基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、三甲基乙氧基硅烷和四甲基硅烷中的一种或多种混合物；所述步骤二中锆源为异丙氧基锆、四正丙氧基锆、氯氧化锆中的一种。
[0014]进一步改进在于：所述步骤一中硅源、碳源、水和乙醇混合摩尔比为1:0.5～3:3～12:3～12；所述步骤二中锆源、水和乙醇混合摩尔比为1:3～12:3～12；步骤二中溶液B与溶液A混合时的硅源、碳源和锆源的摩尔比为1:0.25～5:0.25～5。
[0015]进一步改进在于：所述步骤一和步骤二中的酸催化剂为盐酸、硝酸、草酸和乙酸中的一种，水解处理时间均为3～6h；步骤二中溶液B和溶液A混合时搅拌混合时间为6～18h。
[0016]进一步改进在于：所述步骤三中促凝剂为1,2
‑
环氧丙烷；步骤四中进行老化处理时使用老化液由乙醇、碳源和锆源水解溶液按体积比为1：0.1～3：0.1～3制成的混合液，老化处理时间为72～148h。
[0017]进一步改进在于：所述步骤四中干燥处理时采用超临界乙醇干燥，干燥时使用乙醇和碳源按体积比为1:0.1～0.5制成的混合液作为干燥介质，干燥介质与老化处理后的SiZrOC气凝胶前驱体湿凝胶的体积比为0.1～0.5:1。
[0018]进一步改进在于：所述步骤五中先使用氮气吹扫管式炉3～10次排出管式炉中的空气，随后预充压力为2～5MPa的氮气保护气，并以3～5℃/min的升温速度加热至250～280℃，保温0.5～2h。
[0019]进一步改进在于：所述步骤五中的惰性气体为氮气、氩气和氦气中的一种，所述热解处理时温度为900～1300℃，通入的惰性气体流速为50～400mL/min；在热解温度到达900℃前的升温速率为3～10℃/min，热解温度到达900℃后的升温速率为1～5℃/min，热解处理保温时长为0.5～2h。
[0020]进一步改进在于：所述步骤六中深化相分离灼烧温度为700～1100℃，深化相分离灼烧时长控制在0.5～3h。
[0021]本专利技术的有益效果为：本专利技术通过在溶胶和老化过程中引入锆源，提升了一次粒子颈缩和颗粒烧结的温度，在高温下保持更好的三微孔结构，表现出了更优异的耐温性能，经过高温热解后气凝胶二次粒子内部及表面均匀分布微晶四方二氧化锆(t
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ZrO2)，并得到产生大量高热稳定性Si
‑
O
‑
C结构。深化相分离灼烧可以进一步提升Si
‑
O
‑
C结构数量，而微
晶四方二氧化锆(t
‑
ZrO2)的均匀分布提升了SiOC高温相分离稳定性并抑制SiO
x
C4‑
x
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温稳定性SiZrOC气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将硅源、碳源和乙醇混合处理0.5～1小时，再加入去离子水和酸催化剂进行水解处理，得到溶液A保存备用；步骤二、将锆源、乙醇和去离子水混合，然后加入酸催化剂水解处理，得到溶液B，并将溶液B加入至步骤一中的溶液A中进行搅拌混合，得到SiZrOC有机前驱体溶液备用；步骤三、向SiZrOC有机前驱体溶液中加入促凝剂混合搅拌，得到SiZrOC气凝胶前驱体湿凝胶；步骤四、将步骤三中得到的SiZrOC气凝胶前驱体湿凝胶进行老化和干燥处理，得到SiZrOC气凝胶前驱体凝胶；步骤五、将步骤四中得到的SiZrOC气凝胶前驱体凝胶置于管式炉中，通入惰性气体后升温至热解温度进行热解处理，随后保温进行热解后得到部分相分离的SiZrOC气凝胶；步骤六、将步骤五中得到的部分相分离的SiZrOC气凝胶置于马弗炉中，在有氧气氛下进行深化相分离灼烧，最终得到SiZrOC气凝胶。2.根据权利要求1所述的一种高温稳定性SiZrOC气凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤一中硅源为正硅酸四乙酯，碳源为甲基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、三甲基乙氧基硅烷和四甲基硅烷中的一种或多种混合物；所述步骤二中锆源为异丙氧基锆、四正丙氧基锆、氯氧化锆中的一种。3.根据权利要求1所述的一种高温稳定性SiZrOC气凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤一中硅源、碳源、水和乙醇混合摩尔比为1:0.5～3:3～12:3～12；所述步骤二中锆源、水和乙醇混合摩尔比为1:3～12:3～12；步骤二中溶液B与溶液A混合时的硅源、碳源和锆源的摩尔比为1:0.25～5:0.25～5。4.根据权利要求1所述的一种高温稳定性SiZrOC气凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤一和...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴幼青，韩宇晴，张红，
申请(专利权)人：耐驰尔新材料营口有限公司，
类型：发明
国别省市：