[发明专利]低密度耐高温SiO2-MxOy复合气凝胶隔热材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机材料领域，具体涉及一种低密度耐高温氧化物复合气凝胶隔热材料的制备方法。该复合气凝胶隔热材料可应用于航天飞行器热防护系统以及热电池保护套等高温隔热领域。

背景技术

近年来，航天技术飞速发展，各类新型飞行器的飞行速度不断提高，飞行时间也越来越长，导致气动加热异常严酷，飞行器表面温度升高。为保护飞行器有效载荷及内部仪器设备安全，必须采用轻质、耐高温的高效隔热材料阻止热量向飞行器内部传递。通常使用的隔热材料包括隔热瓦、陶瓷纤维毡等，但其性能已不能满足新型高超声速飞行器的隔热要求，因此研制具有耐高温、热导率低的轻质隔热材料势在必行。

SiO₂气凝胶是一类受到广泛关注的隔热材料，是由高度交联的无机凝胶经特殊干燥过程制备的多孔材料，孔径在几纳米至几十纳米之间，具有很高的比表面积。这种特殊的结构使SiO₂气凝胶材料具有极低的热导率，如Aspen公司研制的气凝胶复合材料室温最低热导率可达0.012W/m·K。然而SiO₂单组分气凝胶材料的使用温度不超过800℃，为改善其耐高温性能，在SiO₂气凝胶中引入Al₂O₃等高温组分形成复合气凝胶，从而提高其使用温度。专利CN101792299A中公布了一种纤维增强的SiO₂-Al₂O₃复合气凝胶隔热材料，分别配制SiO₂和Al₂O₃溶胶，然后按一定比例将两者混合，最后将溶胶与增强纤维复合，经超临界干燥后得到纤维增强复和气凝胶隔热材料。NASA格林研究中心正在探索气凝胶材料在飞行器热防护领域的潜在应用，以AlCl₃·6H₂O和正硅酸甲酯为前驱体制备了SiO₂-Al₂O₃复合气凝胶，比表面积大于700m²/g；并且经1050℃高温处理后，复合气凝胶仍保持部分多孔结构。Clapsaddle以MCl_x·H₂O和正硅酸甲酯为前驱体，有机环氧化物为助剂，制备了一系列硅基复合气凝胶（Journal of Non-Crystalline Solids，2004，350，173.），比表面积在100~800m²/g之间。

目前，制备硅基复合气凝胶通常使用各种金属盐酸盐、硝酸盐或醇盐为前驱体，与硅源经水解、缩聚后形成凝胶，经老化、干燥后得到复合气凝胶。然而，金属盐酸盐、硝酸盐或醇盐的水解速率远大于硅源前驱体，甚至在空气中不能稳定存在，因此易导致溶胶不均匀，甚至在凝胶形成之前已经形成沉淀，破坏了气凝胶的微观结构，限制了气凝胶材料的实际应用。因此，寻找一种简单方便的复合气凝胶制备方法，使之具有均匀的微观结构，并提高其高温稳定性，对实现复合气凝胶在高温隔热材料领域的应用是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种低密度耐高温SiO₂-M_xO_y复合氧化物气凝胶隔热材料的制备方法，其密度在0.02~0.5g/cm³，耐温大于1000℃，微观结构均匀，能够提高材料的耐高温性能和隔热性能，在高温隔热领域具有潜在的应用价值。

实现本发明目的技术方案：一种低密度耐高温SiO₂-M_xO_y复合气凝胶隔热材料的制备方法，其包括如下步骤：

（1）将正硅酸甲酯或正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水、盐酸或硝酸按一定摩尔比混合均匀；其中，摩尔比为正硅酸甲酯或正硅酸乙酯：无水乙醇：去离子水：盐酸或硝酸=1：（1.0~3.2）：（0.8~2.0）：（0.005~0.05）；将上述混合溶液在80~150℃回流8～48小时，经蒸馏分离后，得到部分水解的硅酯作为硅源前驱体；

（2）取步骤（1）的硅源前驱体、去离子水、有机溶剂混合均匀；其中H₂O与SiO₂的摩尔比为（1~4）:1，有机溶剂与SiO₂的摩尔比为（0.5~20）：1；所述有机溶剂为无水乙醇、乙腈或丙酮；