[发明专利]苯并咪唑系气凝胶材料

说明书

本发明提供苯并咪唑系气凝胶材料。此聚咪唑基气凝胶材料保持热稳定的温度可高达500℃或以上，并且可予以碳化以生成碳气凝胶，该碳气凝胶具有60％或以上的炭产率，具体而言，为70％或以上的炭产率。本发明亦提供藉由以下步骤生成聚咪唑基气凝胶材料以获得聚苯并咪唑系气凝胶材料的方法：在合适的溶剂里使至少一种单体起反应以形成聚苯并咪唑凝胶前驱物溶液，将该聚苯并咪唑凝胶前驱物溶液浇铸成纤维强化相，容许该前驱物溶液中的该至少一种凝胶前驱物转变成凝胶材料，以及弄干该凝胶材料而将该溶剂的至少一部分移除，用以获得苯并咪唑系气凝胶。

本发明是中国专利申请号为201480060499.3，发明名称为“苯并咪唑系气凝胶材料”，国际申请日为2014年8月4日的进入中国的PCT专利申请的分案申请。

技术领域

本发明属于气凝胶材料领域，尤其涉及一种苯并咪唑系气凝胶材料。

背景技术

航太计画使用先进的热屏系统保护太空船免于在穿过行星大气以极音速飞行期间遭遇严重加热。在进入行星大气期间，摩擦力造成载具温度扬升到对太空船外壳有破坏性的程度，而使太空船载具承受极端的热条件。因此，载具的外壳典型是以热保护材料来包覆，此等热保护材料是经设计以耐受这些极端热条件，并且提供隔热以保护载具的外壳不受高温影响。

诸如NASA等航太计画目前正在开发涉及行星航空补获 (aerocapture)及进入的探险任务所需的热保护系统(TPS)。已开发出用以保护太空船的兼具可再用性及消融性的TPS。可再用TPS典型已用于较温和的重返条件，例如用于太空梭。相比之下，消融性TPS材料已用于产生高加热速率、且热负载透过相变及质量损失散逸的行星进入探测器。大部分消融性TPS材料为强化复合物，其运用生成气体产物及保护炭的有机树脂。在非氧化气氛中，树脂分解反应作用具有吸热性(汽化、升华)，并且影响表面的净能量。所生成的气体在朝表面渗透时遭受加热，从而将一些能量由固体转移至气体。

未来对于行星内外的航太任务，在改良型TPS上将会有更大的需求及要求。目前用于消融性隔热物的顶尖技术为酚碳热烧蚀板(PICA)，其是利用原本由Monsanto所制造的热固性酚/甲醛树脂SC-1008，藉由浸渍碳纤维预成形物来制备。PICA的制备方法乃是在美国专利 5,536,562、5,672,389及6,955,853中作说明。PICA具有55％左右的炭产率。PICA大体上具有比许多其它可用的消融性TPS材料具有更好的特性，这是因为酚/甲醛树脂形成一种凝胶，此凝胶在纤维预成形物中生成均匀的树脂分布。最终的消融性材料是在真空或高温下，藉由使溶剂蒸发而将凝胶弄干所获得。

人们普遍认为低密度气凝胶材料是最佳的可用固体隔热物。气凝胶主要是藉由使传导(低结构密度导致穿过固体骨架生成用于能量转移的曲折路径)、对流(大的细孔体积及非常小的细孔大小导致对流极小)、以及辐射(IR吸收或散射掺质容易散布于整个气凝胶基质)降到最小而作用为隔热物。气凝胶可以有广泛的应用范围，包括：加热与冷却隔绝、隔音、电子介电质、航太、能量储存与生成、以及过滤。气凝胶材料显示许多其它有趣的声学、光学、机械、以及化学特性，使其相当实用。

然而，气凝胶可能会极为易脆且难以加工。

因此，需要开发可挠、耐用且易于加工的强化气凝胶材料；此类强化气凝胶材料具有如消融性TPS材料般有利的效能；并且具有诸如高炭产率等有利的消融特性。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种耐用且易于加工的气凝胶材料，该气凝胶材料具有如消融性TPS材料般有利的效能，并且具有诸如高炭产率及高热稳度等有利的消融特性。该气凝胶材料可以有约60％或以上的炭产率。该气凝胶材料保持热稳定的温度可高达400℃或以上、 500℃或以上、或575℃或以上。

本发明的另一目的在于提供一种耐用且易于加工的气凝胶材料，该气凝胶材料具有如消融性TPS材料般有利的效能，并且具有足以紧密封装于货柜或舱体中的可挠性。