[发明专利]低热导率纳米纤维构架的多级孔陶瓷海绵材料及制备方法

说明书

本发明涉及新型多级孔材料、纳米纤维材料技术领域，提供了一种低热导率纳米纤维构架的多级孔陶瓷海绵材料及制备方法，所述制备方法首次以硅溶胶、水溶性炭黑、单质硅为原料制备均匀分散的混合浆料；所述混合浆料经真空除气、冷冻注模、冷冻干燥制得直通孔结构的多孔坯体；所述多孔坯体通过反应烧结得到所述低热导率纳米纤维构架的多级孔陶瓷海绵材料。本发明具有低成本、无需高昂设备、工艺简单、高效合成、易于工业化生产的特点，所得新型泡沫陶瓷综合性能优越：低体积密度、良好渗透性、高比表面积、低热导率。

技术领域

本发明涉及多级孔材料、纳米纤维材料技术领域，特别涉及一种低热导率纳米纤维构架的多级孔陶瓷海绵材料及制备方法。

背景技术

陶瓷材料具有高强度、优异的高温力学/化学稳定性等特点，然而其脆性以及缺陷敏感性限制了其在超轻、高弹性材料领域的应用，尤其当多孔结构引入时材料的力学性能成为制约其进一步应用的关键。

目前，研究人员通过高效的溶液吹塑法制备得到了多体系的轻质耐高温三维陶瓷海绵(TiO₂，ZrO₂，BaTiO₃等)，其结构由大量相互交错的陶瓷纤维组成，结果表明该材料具有高的能量吸收以及回弹特性，置于1300℃高温环境中压缩仍能保持良好的恢复力，有望应用于弹性电阻、光催化、隔热等领域。此外，化学气相沉积法也被成功用于SiC三维纳米纤维气凝胶的合成，该材料具有超低的密度(～5mg·cm^-3)，优异的可回弹特性及抗疲劳性、耐高温性及低热导率(0.026W·m^-1·K^-1)等出色的综合性能。

然而，三维纳米结构材料的研究现多基于昂贵的实验设备、合成条件较为苛刻且多集中于金属氧化物体系，在高温领域具有广泛应用的金属氮化物/碳化物体系的研究尚属匮乏。并且因合成方法的限制，所得纳米纤维气凝胶常见于大量冗杂的纳米纤维无序交错堆叠而成，不利于其性能稳定性的实现。

作为综合性能优异的高温结构陶瓷材料之一，Si₃N₄、SiC及Si₂N₂O材料具有优异的电学、热学和机械性能，耐高温、抗热冲击、抗氧化及抗雨蚀性能良好，在超高音速导弹飞行器、高温烟气过滤等领域有重要应用。碳热还原氮化法是常见的低成本制备硅基纳米纤维的有效途径，然而通过反应原料颗粒构架三维空间有序多孔结构，进一步采用碳热还原氮化法制备以纳米纤维为基元在三维空间有序编织而成的多级孔陶瓷则鲜有报道。此外，纳米纤维的生长通常基于气-液-固(VLS)和气-固(VS)两种反应机制，这就使得原料与反应环境中气体的全方位接触有利于纳米纤维的充分合成，因此在三维空间中构建开孔结构坯体可为气体在整个坯体内部均匀扩散提供最佳条件。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种低热导率纳米纤维构架的多级孔陶瓷海绵材料及制备方法，该陶瓷海绵材料具有高气孔率、低热导率的特性。

本发明采用如下技术方案：

一种低热导率纳米纤维构架的多级孔陶瓷海绵材料的制备方法，以硅溶胶、水溶性炭黑、单质硅为原料制备均匀分散的混合浆料；所述混合浆料经真空除气、冷冻注模、冷冻干燥制得直通孔结构的多孔坯体；所述多孔坯体通过反应烧结得到所述低热导率纳米纤维构架的多级孔陶瓷海绵材料。

进一步的，所述制备方法具体包括：

S1、以硅溶胶、水溶性炭黑、单质硅颗粒中的一种或多种(其中不包括单一的水溶性炭黑)作为原料加入到含有一定浓度粘结剂的溶剂中，通过超声分散或者球磨配制均匀分散的混合浆料；

S2、所述混合浆料真空搅拌除气，倒入冷却模具中冷冻，获得冷冻素坯；

S3、将所述冷冻素坯冷冻干燥，得到具有直通孔型的多孔坯体；