一种各向异性的耐高温碳化硅气凝胶隔热材料制备方法技术

本发明专利技术提供了一种各向异性的耐高温碳化硅气凝胶隔热材料制备方法，包括以下步骤：1)木材原料在酸性条件下进行脱木质素、半纤维素处理，随后通过冷冻干燥制备各向异性的木基气凝胶。该木基气凝胶用作碳化硅生成反应中的碳源和模板；2)将一氧化硅粉末铺于烧舟底部，将步骤1制备的木基气凝胶放置于一氧化硅粉末上方，并盖上烧舟盖；3)将步骤2的烧舟放于高温箱式炉中，在高温和惰性气体的环境下，制备得到各向异性的耐高温碳化硅气凝胶隔热材料。各向异性的耐高温碳化硅气凝胶隔热材料。各向异性的耐高温碳化硅气凝胶隔热材料。

【技术实现步骤摘要】
一种各向异性的耐高温碳化硅气凝胶隔热材料制备方法


[0001]本专利技术属于气凝胶制备领域，尤其涉及一种各向异性的耐高温碳化硅气凝胶隔热材料制备方法。

技术介绍

[0002]作为世界上最轻的固体材料之一，气凝胶因其超高孔隙率和超低密度被誉为“21世纪的奇迹材料”。气凝胶特殊的多孔结构，使得它具有极低的导热系数，因此气凝胶在保温隔热领域有巨大的应用场景。
[0003]目前的气凝胶的种类很多，包括最早研究的二氧化硅气凝胶和近年来得到广泛研究的有机聚合物气凝胶等。但是上述的气凝胶都存在高温结构破坏、失效等问题，这些问题严重限制了气凝胶在高温领域的应用和发展。而目前航空航天和高温冶炼等领域急需耐高温、耐烧蚀的轻质隔热材料，因此发展耐高温气凝胶具有重大意义。目前耐高温气凝胶的研究不多，主要集中在碳化物气凝胶和氧化物气凝胶。
[0004]其中，碳化硅气凝胶具有低热膨胀系数、耐高温、高耐磨性和化学性能稳定等优点，被越来越多的研究者关注。CN112607740A公开了一种碳化硅纳米纤维气凝胶的制备方法，其主要是利用二氧化硅溶胶和碳纤维之间的碳热还原反应制备碳化硅。中国专利CN112537964A和CN111484018A均采用聚碳硅烷高温裂解反应制备碳化硅气凝胶，但是在制备过程大量使用有机溶剂，对环境会造成污染。而中国专利108328617A则在管式炉中利用CVD的方法制备了碳化硅纳米线气凝胶，但是这种方法制备出的气凝胶尺度较小，也不便调控气凝胶的宏观尺寸。同时上述方法制备出的气凝胶结构都是各向同性的，其在作为隔热材料使用时，无法避免因局部温度过高带来的隔热失效问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种各向异性的耐高温碳化硅气凝胶隔热材料制备方法。该方法的制备过程较为简单。制备得到各向异性的碳化硅气凝胶具有优异的耐高温性能和隔热性能，可以直接应用于航空航天等高温隔热领域。
[0006]本专利技术提供了一种各向异性的耐高温碳化硅气凝胶隔热材料制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)在酸性条件中，将木材浸泡在85～90℃的含有氧化漂白剂的水溶液中，每6～8小时更换一次氧化漂白剂的水溶液，直至木材完全变为白色，得到白色木材。随后用90～95℃的氢氧化钠的水溶液浸泡白色木材，进一步去除白色木材中残留的木质素，然后用90～95℃去离子水蒸煮除去残留的试剂，得到去木质素木材；将去木质素木材进行冷冻干燥，得到各向异性的木基气凝胶。优选地所述的木材是轻木、松木和泡桐木中的一种。优选地所述酸性条件为反应前或者反应过程中通过添加盐酸和乙酸中的一种，使水溶液的pH为4～4.5。优选地所述氧化漂白剂为乙酸和亚氯酸钠中的一种或两种。优选地所述氧化漂白剂的含量是1.5～4.5wt％。优选地所述氢氧化钠的含量为5～10wt％。优选地所述冷冻干燥的冷
冻温度为
‑
60℃～
‑
40℃，干燥温度为20～30℃。
[0008](2)将一氧化硅粉末铺于烧舟底部，将步骤(1)制备的木基气凝胶放置于一氧化硅粉末上方，并盖上烧舟盖；所述一氧化硅粉末与木基气凝胶的质量比为1:0.2～0.4。优选地所述烧舟为氧化铝烧舟和石墨烧舟中的一种。
[0009](3)将步骤(2)中的烧舟放于高温箱式炉中，在高温和惰性气体保护的环境下，制备得到各向异性的耐高温碳化硅气凝胶隔热材料；所述的高温环境为温度1400～1600℃。优选地所述的惰性气体为氩气、氮气或者氩氢混合气。优选地所述的惰性气体为高纯氩气、高纯氮气或者氩氢混合气。
[0010]例如，所述一氧化硅粉末与木基气凝胶的质量比为1:0.2、1；0.25、1:0.3、1：0.35或者1：0.4。
[0011]优选地，所述步骤(1)中冷冻干燥的冷冻时间为12～24小时；冷冻干燥的干燥时间为24～48小时；冷冻干燥的干燥压力为10～20Pa。
[0012]优选地，所述步骤(3)具体为：对高温箱式炉进行至少3次抽真空和充惰性气体的洗气处理，将炉内氧气除去。然后在5～10℃/min的升温速率下，高温箱式炉升温至1400～1600℃，然后保温2～4小时。随后通过自然降温降至室温，得到碳化硅气凝胶。所述的高纯氩中氩气的体积分数为99.99％。高纯氮气中氮气的体积分数为99.99％。氩氢混合气中氢气的体积分数为5％。
[0013]本专利技术与传统的碳化硅气凝胶制备方法相比，具有以下增益效果。
[0014]1、本专利技术制备方法简单，同时具有良好的可重复性。在该制备方法中，利用较为易得的木材作为生物质碳源，相比于其他专利技术方法中采用碳纤维等碳源，具有成本低、可大规模推广等优点。同时该方法采用一氧化硅粉末作为硅源，相比于其他专利技术方法中涉及到的聚硅碳烷、聚硅氧烷等有机前驱体，该专利技术方法具有制备方法简单、安全和环境友好等优点。
[0015]2、本专利技术制备得到的各向异性的耐高温碳化硅气凝胶隔热材料具有独特的层状结构和微纳米分级结构。由于木材本身具有宏观层状结构和更小尺度上的蜂窝状结构，本专利技术中利用冷冻干燥得到的木基气凝胶也具有独特的层状结构和蜂窝状结构。在高温烧结过程中，木基气凝胶的层状结构进一步演变为具有45～80μm厚度的碳化硅气凝胶层状结构。同时由于木基气凝胶作为碳源参与反应，更小尺度上的木基气凝胶的蜂窝状结构演变成了直径为15～35nm的、相互交错的碳化硅纳米线结构。这种层状结构和微纳米分级结构使得本专利技术得到的碳化硅气凝胶具有显著的各向异性的特征。相比于其他专利技术中各向同性的碳化硅气凝胶结构而言，这种层状结构和分级结构能够更加有效的降低垂直于层状结构方向上的固体导热和气体对流传热，进而使得本专利技术得到的碳化硅气凝胶的隔热效果大大提高。
[0016]3、本专利技术制备得到的各向异性的耐高温碳化硅气凝胶隔热材料具有优异的隔热性能，在室温下径向导热系数可以低至0.019Wm
‑1K
‑1。即使在1000℃时，径向导热系数仍低于0.1Wm
‑1K
‑1。这种优异的隔热性能得益于碳化硅气凝胶的层状结构。具体来说，层状结构能够有效地分割空间，限制了气体对流传热和固体导热。同时，层状结构也使得碳化硅气凝胶内部层与层之间可压缩、恢复，因此本专利技术得到的碳化硅气凝胶具有优异的弹性。相比于其他专利技术得到的脆性的碳化硅气凝胶而言，弹性的碳化硅气凝胶更有利于碳化硅气凝胶的
运输、安装和长期使用。
附图说明
[0017]图1为本专利技术提供的各向异性的耐高温碳化硅气凝胶隔热材料制备过程示意图；
[0018]图2为实施例1制备的碳化硅气凝胶的实物图；
[0019]图3为实施例1制备的碳化硅气凝胶的扫描电镜(SEM)图；
[0020]图4为实施例1制备的碳化硅气凝胶的X射线衍射(XRD)图；
[0021]图5为实施例1制备的碳化硅气凝胶的透射电镜(TEM)图；
[0022]图6为实施例2制备的碳化硅气凝胶的耐酒精灯火焰烧蚀图；
[0023]图7为实施例2制备的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种各向异性的耐高温碳化硅气凝胶隔热材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在酸性条件中，将木材浸泡在85～90℃的含有氧化漂白剂的水溶液中，每6～8小时更换一次氧化漂白剂的水溶液，直至木材完全变为白色，得到白色木材；随后用90～95℃的氢氧化钠的水溶液浸泡白色木材，进一步去除白色木材中残留的木质素，然后用90～95℃去离子水蒸煮除去残留的试剂，得到去木质素木材；将去木质素木材进行冷冻干燥，得到各向异性的木基气凝胶；(2)将一氧化硅粉末铺于烧舟底部，将步骤(1)制备的木基气凝胶放置于一氧化硅粉末上方，并盖上烧舟盖；所述一氧化硅粉末与木基气凝胶的质量比为1:0.2～0.4；(3)将步骤(2)中的烧舟放于高温箱式炉中，在高温和惰性气体保护的环境下，制备各向异性的耐高温碳化硅气凝胶隔热材料；所述的高温环境为温度1400～1600℃。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的木材是轻木、松木和泡桐木中的一种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述酸性条件为反应前或者反应过程中通过添加盐酸和乙酸中的一种，使水溶液的pH为4～4.5。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述氧化漂白剂为乙酸和亚氯酸钠中的一种或两种。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：程旭东，闫明远，张和平，潘月磊，龚伦伦，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：