[发明专利]一种碳化硅气凝胶材料及其制备方法

说明书

本发明属于陶瓷气凝胶领域，公开了一种碳化硅气凝胶材料及其制备方法，制备方法包括以下步骤：(1)将对苯二甲醛、氨基硅烷、有机硅氧烷、醋酸、乙醇和去离子水混合均匀，经过有机硅烷水解共缩聚反应得到聚硅氧烷湿凝胶；(2)将步骤(1)得到的聚硅氧烷湿凝胶经过老化和真空干燥获得聚硅氧烷气凝胶；(3)将步骤(2)得到的聚硅氧烷气凝胶在氩气氛围下以1‑5℃/min升温速率加热至1400‑1600℃高温热处理2‑5h，得到块状碳化硅气凝胶。本发明采用溶胶凝胶结合真空干燥制备有机桥联半倍硅氧烷气凝胶前驱体，再经过一步高温碳热还原过程得到了结晶性好、物相单一、结构完整的块状碳化硅气凝胶。

技术领域

本发明涉及陶瓷气凝胶领域，具体的是一种碳化硅气凝胶材料及其制备方法。

背景技术

碳化硅气凝胶由于具有低密度，高强度，优异的高温抗氧化，化学稳定性和红外遮蔽效应等优势，适用于多种高温和高腐蚀环境下的应用，如高温隔热，电磁吸波，过滤和催化剂载体等。

碳化硅气凝胶的制备方法主要包括如下三种。(1)有机/氧化硅复合气凝胶碳热还原法。首先通过溶胶凝胶法结合超临界干燥制备有机/氧化硅复合气凝胶为前驱体，再经过碳化得到碳/氧化硅复合气凝胶，碳/氧化硅复合气凝胶再经过高温碳热还原得到碳化硅气凝胶(CN102897764B)。(2)预陶瓷化聚合物裂解法。首先在高度稀释的溶液中控制陶瓷前驱体聚合物的交联得到湿凝胶，然后通过超临界干燥得到预陶瓷化聚合物气凝胶，再通过高温裂解过程将其转化为碳化硅气凝胶(CN112537964A)。(3)冷冻组装法。以制备好的碳化硅纳米线为基本结构单元，水为溶剂配制碳化硅纳米线料浆，先后经过冷冻组装、冷冻干燥和高温热处理过程得到碳化硅纳米线气凝胶(CN109627006B)。

其中，通过有机/氧化硅复合气凝胶碳热还原法和预陶瓷化聚合物裂解法制备的碳化硅气凝胶是由纳米颗粒堆积而成的三维多孔网络结构，强度较高。预陶瓷化聚合物裂解法，虽然摆脱了对气凝胶前驱体的依赖，且聚合物前驱体中的硅和碳元素实现了原子级别的混合，热处理温度降低，但聚合物前驱体的交联通常需要在无水无氧环境中进行，且需采用价格高昂的铂催化剂和有机溶剂，成本高，反应条件苛刻，难以制备大尺寸块状的碳化硅气凝胶。冷冻组装法通常得到的是以纳米线搭接而成的三维纳米网络结构，虽然具有一定的弹性，但强度低，且碳化硅纳米线的制备工艺复杂，品质不高。

有机/氧化硅复合气凝胶碳热还原法是制备碳化硅气凝胶常见方法，该方法所制备的碳化硅气凝胶取决于有机/氧化硅气凝胶前驱体的种类及碳热还原过程中的工艺参数。目前该方法存在三个问题：第一，有机/氧化硅气凝胶前驱体的制备工艺复杂，通常涉及超临界干燥工艺，其设备损耗大，能源消耗多。第二，并非所有的有机/氧化硅气凝胶都可以通过碳热还原过程得到结晶性好且无其他物相的碳化硅气凝胶；第三，高温热处理过程，容易导致碳化硅气凝胶体积收缩及结构坍塌，很难制备完整的气凝胶块材。因此，采用成本较低的真空干燥法制备气凝胶前驱体，制备结晶性好、物相单一、结构完整的块状碳化硅气凝胶仍充满挑战。

发明内容

本发明的目的在于解决有机/氧化硅气凝胶前驱体的制备工艺复杂，成本高，高温碳热还原过程结构坍塌及所制备的碳化硅气凝胶结晶性差和含有杂相的问题，提出了采用溶胶凝胶结合真空干燥制备有机桥联半倍硅氧烷气凝胶前驱体，再经过一步高温碳热还原过程得到了结晶性好、物相单一、结构完整的块状碳化硅气凝胶。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种碳化硅气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将对苯二甲醛、氨基硅烷、有机硅氧烷、醋酸、乙醇和去离子水混合均匀，经过有机硅烷水解共缩聚反应得到聚硅氧烷湿凝胶；

(2)将步骤(1)得到的聚硅氧烷湿凝胶经过老化和真空干燥获得聚硅氧烷气凝胶；

(3)将步骤(2)得到的聚硅氧烷气凝胶在氩气氛围下以1-5℃/min升温速率加热至1400-1600℃高温热处理2-5h，得到块状碳化硅气凝胶。