[发明专利]一种炭气凝胶隔热复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种炭气凝胶隔热复合材料的制备方法，目的是提供一种简单高效、成本低，制备出来的材料成型性好、轻质高强且高效隔热的炭气凝胶隔热复合材料的制备方法。技术方案是以酚有机单体和醛有机单体为炭前驱体，以可高温分解挥发的盐为自牺牲盐模板，以有机溶剂为溶剂，采用酸性或碱性催化剂配制含盐有机溶胶；采用真空浸渍工艺制备含盐有机溶胶纤维预制件复合体；采用溶剂热工艺制备纤维增强含盐有机凝胶复合体；采用常压干燥工艺制备纤维增强有机气凝胶复合体；采用炭化裂解工艺制备纤维增强炭气凝胶复合材料。本发明工艺简单，周期较短，成本低廉，采用本发明制备的材料成型性好，强度高，导热系数低，隔热性能好。

技术领域

本发明涉及一种耐超高温隔热材料的制备方法，尤其涉及一种轻质高强度的耐超高温炭气凝胶隔热复合材料的制备方法。

背景技术

炭气凝胶是一种具有纳米三维网络结构，由纳米尺寸颗粒组成的纳米多孔材料，这种独特的结构使它具有比表面积高、孔体积大、密度低、热导率低等特性，同时，它又具有物理化学性质稳定、红外辐射遮挡能力强、惰性气氛下耐超高温(最高可达2000℃以上)等炭材料的固有性质，在超高温隔热领域具有巨大的应用潜力。因为服役环境除超高温外，一般还存在热冲击强、热振动大等复杂严苛的热力学环境，所以需要通过纤维增强的方式制备炭气凝胶复合材料，得到耐超高温、高效隔热、耐腐蚀、抗热震、轻质的纤维增强炭气凝胶隔热复合材料。

炭气凝胶一般由有机气凝胶经高温炭化裂解制备得到，有机气凝胶的制备又需要经过溶胶、凝胶、老化、溶剂置换、超临界干燥等工艺步骤，这是目前制备炭气凝胶最成熟，应用最广泛的方法，但是存在工艺周期长，超临界干燥工艺严苛，成本较高等不足，而且炭化裂解过程中材料会发生较大的体积收缩使材料开裂，导致目前制备的炭气凝胶隔热复合材料力学强度差，隔热效率低，这些都极大地限制了其在超高温隔热领域的应用。【MaterLett.,2011,65:3454-3456】近年来，研究人员不断研究开发新的工艺方法制备炭气凝胶，包括化学气相沉积、湿纺、干纺、软模板法、硬模板法、活化法、有机盐一步裂解法、盐模板法、溶剂热法等。然而，化学气相沉积、湿纺和干纺法成本较高，难以大规模工业化生产。活化法常被用来调节微、介孔结构和增加比表面积，然而活化剂有强烈的腐蚀性和毒性，容易对环境和设备造成损害，且会大幅降低炭气凝胶的产率。硬模板法可以赋予炭气凝胶模板剂的独特结构，但是必要的去除模板的步骤提高了成本，延长了生产周期。软模板法虽然避免了模板去除的步骤，但对孔结构的调控有限。有机盐一步裂解法虽然工艺简单，但只能制备粉末状炭气凝胶，且无法调控孔结构和物理化学性质，难以制备用于超高温隔热的块状炭气凝胶。【J.Mater.Chem.A,2017,5,2411-2428；Chem.Mater.,2014,26:196-210】简单高效、低成本地制备高强度、高效隔热的耐超高温炭气凝胶复合材料是未来主要的研究方向。

溶剂热法制备炭材料与煤炭的形成过程类似，是一种在较为温和的条件下(250℃以下，10MPa以下)使碳水化合物交联预炭化形成炭材料的工艺，绿色环保，成本低廉。溶剂热法可以使炭材料中含有呋喃、芳香环等氧取代芳香类单元，从而可以进一步调节炭材料的物理化学结构，而且在200℃左右的较低温度下就可以使材料预炭化成型并具有较高强度，从而可以抵抗溶剂的表面张力进行常压干燥。然而，溶剂热法采用有机溶剂作为分散剂，一般仅可以调节炭气凝胶的介孔和大孔结构，不能调控微孔结构，难以满足制备隔热用炭气凝胶(需要微孔、介孔抑制气态热导率)的需求，因此需要与其他方法相结合才能制备成型性好，纳米孔结构可控的炭气凝胶隔热复合材料。