[发明专利]一种碳气凝胶-五氧化二钽界面蒸发复合材料、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种碳气凝胶‑五氧化二钽界面蒸发复合材料、制备方法及其应用，涉及碳气凝胶技术领域，首先合成了碱催化的酚醛树脂溶胶，待溶胶流动性降低后，在超声作用下加入光催化剂Ta₂O₅使其充分分散，然后通过酸催化和热处理完成溶胶‑凝胶过程得到酚醛树脂‑Ta₂O₅湿凝胶，其次对湿凝胶进行老化、洗涤置换、常压干燥得到酚醛树脂‑Ta₂O₅有机复合气凝胶，最后对有机复合气凝胶进行高温碳化。本发明制备的碳气凝胶‑五氧化二钽界面蒸发复合材料结构完整、不开裂、不脱粉和掉渣、隔热性能好，而且制备工艺简单、原料成本低、毒性低、热处理设备及模具要求低、制备周期短、生产过程安全度高，有望应用于工业化大规模生产。

技术领域

本发明涉及碳气凝胶技术领域，特别是涉及一种碳气凝胶-五氧化二钽界面蒸发复合材料、制备方法及其应用。

背景技术

碳气凝胶具有传统气凝胶材料纳米尺度的微观孔隙结构，加之有高的宽带吸收、高效的光热转化率、优异的热稳定性、隔热保温性能和亲水性，复合Ta₂O₅后与碳原子配位使得能带结构可以由直接转换为间接，促进电子产生非辐射性跃迁提高光热转换效率，是应用于太阳能海水蒸发系统核心部件吸光光热转换层、绝热层形成局部热效应的理想材料，同时具有高亲水性和高度开孔结构，可为聚热核心部位源源不断提供水分补充，极大提高水分蒸发效率。然而，传统制备方法所制备的碳气凝胶成本高、强度低、极易破碎，难以制备出大体积、不开裂完整样品，并且所用原料和溶剂容易产生大量挥发性有毒气体，难以大规模工程化生产应用。因此，急需探索一种新型的制备方法，解决碳气凝胶极易破碎、收缩率大，难以制备出大体积、不开裂完整样品的缺陷，实现低成本安全快速制备出大体积高力学性能可广泛应用的碳气凝胶光热转换材料。

Jian Li等人(Fabrication of Large Aerogel-Like Carbon/CarbonComposites with Excellent LoadBearing Capacity and Thermal-InsulatingPerformance at 1800℃)介绍了一种具有优异承载性能和保温性能的大型气凝胶碳/碳复合材料的制备方法。以酚醛树脂和六亚甲基四胺分别作为反应前驱体和交联剂，通过高压辅助聚合结合环境压力干燥技术，制备出具有气凝胶状碳基体和低结晶度纤维增强的大型复合材料。该制备方法具有适应范围广、原料易得，且该制备方法通过纤维增强解决了大体积制备的难题，然而在应用中存在诸多问题，一方面是纤维与气凝胶界面结合易开裂，在制备和应用以及受压状态下容易发生表现为“界面剥离”、“严重掉渣掉粉”现象。并且复合纤维过程只是简单的物理复合，界面是物理结合，不利于耐高温性能的提升以及增加复合气凝胶内部固体导热使得导热系数提高。另一方面，其需要采用对设备仪器要求较高的高温高压辅助聚合的方法，使得制备成本大幅度提升，不利于工业化低成本生产。

公告号为CN108609606B的中国发明专利公开了一种炭气凝胶隔热材料的制备方法，该发明采用溶胶凝胶工艺，酸碱两步法以先酸催化后碱交联方式，通过预充氮气或氩气保护性气体提供高压环境进行溶剂热工艺制备有机凝胶，然后碳化制得碳气凝胶。该发明具有适应范围广、原料易得、样品强度高等特点且该发明解决了常压干燥样品易碎、开裂的问题，然而该发明制备的碳气凝胶密度高、孔隙率低、导热系数低，且需要采用预充氮气或氩气进行高温高压热处理，制备的样品体积受限于高压釜体积，对高温高压生产制备的设备要求高，生产过程繁杂、危险系数大而且成本高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在问题，提供一种聚热效果好、孔隙率高、光热转换效率优异、力学性能好、不开裂、制备速度快、成本低的大尺寸碳气凝胶-五氧化二钽(Ta₂O₅)界面蒸发复合材料、制备方法及其应用。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

技术方案之一：