[发明专利]一种耐高温高强低导热SiO2气凝胶复合材料

说明书

本发明公开了一种耐高温高强低导热SiO₂气凝胶复合材料，由中空碳泡沫骨架、SiC涂层和SiO₂气凝胶保护壳构成，中空碳泡沫骨架呈三维网状互联，由三维节点和纤维状中空管构成；SiC涂层均匀包覆在中空碳泡沫骨架外壁，SiC涂层致密均匀；SiO₂气凝胶保护壳由均匀填充于中空碳泡沫骨架孔隙中的SiO₂气凝胶经热处理体积收缩团聚后得到。本发明以中空碳泡沫骨架为基体，首先采用SiC涂层进行增强，防止SiO₂气凝胶在老化过程中收缩使得骨架断裂，同时SiO₂气凝胶经热处理，SiO₂单体颗粒间孔隙减小，SiO₂簇体积收缩并团聚，在SiC涂层表面得到SiO₂气凝胶保护壳，在保护SiC涂层的同时，提高了材料的结构强度。

技术领域

本发明涉及一种SiO₂气凝胶复合材料，特别是涉及一种耐高温高强低导热SiO₂气凝胶复合材料。

背景技术

碳泡沫材料首先是由Walter Ford于20世纪60年代采用裂解热固性树脂得到的，其主要分为网状玻璃态碳泡沫材料和石墨化碳泡沫材料两种。网状中空泡沫是一种中空骨架和纳米线分割的孔腔组成的具有三维网状结构的轻质多孔材料，密度约为30～200mg/cm³，具有低密度、低热膨胀系数、高抗热冲击性能以及较低的导热系数，在隔热材料、电池的电极材料和航天航空领域的应用有广阔前景。但是由于该类碳泡沫材料中的孔洞较大，孔径在300～900微米之间，从而提高了材料的气相传热。为了进一步降低碳泡沫材料的热导率，提高其隔热性能，可以在其孔洞内部引入气凝胶材料。

气凝胶作为一种纳米颗粒相互聚集而成的纳米多孔材料，固相骨架由纳米颗粒交联而成，孔径在几纳米至几十纳米之间，具有许多特殊的性质，如高比表面积、低密度和高孔隙率，因而在隔热、吸附和催化领域有着广泛的应用前景。由于结构上的独特性，气凝胶在力学、声学、热学、光学、电学等方面具有许多特殊的性质，如：极小的导热率、表观密度、极高的比表面积、孔隙率等。在隔热应用方面，目前研究最多的是SiO₂气凝胶，其常温热导率最低可达0.013 W/(m·K)，比静止状态下的空气的热导率(0.026 W/(m·K))还要低，属于超级隔热材料的范畴。因此将SiO₂气凝胶与碳泡沫材料进行复合，不仅可以解决碳泡沫材料气相热传导较高的问题，而且克服了SiO₂气凝胶材料强度低的问题。

申请号为201410391902.2的中国发明专利公开了一种填充SiO₂气凝胶的碳气凝胶的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：(1)碳气凝胶的制备：以间苯二酚(R)和甲醛(F)为前驱体(摩尔比R∶F=1∶2)，无水碳酸钠为催化剂，碳泡沫骨架，制备以碳泡沫为基的碳气凝胶。(2)碳气凝胶表面酸处理：将H₂O₂∶NH₃H₂O∶H₂O按照1∶1∶5的体积比例配成混合溶液，将上述碳气凝胶浸入该混合溶液中，在90℃的水浴条件下保持1h。(3)SiO₂前驱体溶液制备及碳气凝胶浸入前驱体溶液老化、干燥得到填充二氧化硅气凝胶的碳气凝胶。该制备方法可靠，安全性能好，制得的复合气凝胶既保持了气凝胶的有益性能，又增强了气凝胶的力学性能；复合凝胶表面疏水，不易吸收空气中的水分，收缩性小，但是采用气凝胶作为骨架，结构强度存在一定的缺陷。