一种具有高热稳定性、低热导率的空心/核壳纤维掺杂的纳米多孔复合材料制造技术

一种具有高热稳定性、低热导率的空心/核壳纤维掺杂的纳米多孔复合材料，由若干个堆积的表面掺杂有金属氧化物的空心气凝胶基体单元和掺杂在该空心气凝胶基体单元内的若干垂直于热流方向定向排布的空心/核壳亚微米纤维单元组成。在高温热环境中，首先，空心气凝胶基体可极大地降低材料的固相热导率，并且在一定程度上提高了复合材料的热稳定性。同时，核壳结构以及颗粒表面的金属氧化物，不仅大幅度降低辐射热导率，并且抑制高温烧结，进一步提高材料的热稳定性。其次，空心/核壳亚微米纤维，沿着热流垂直方向定向排布，空心/核壳结构在降低纤维固相热导率的同时，又极大地抑制了高温辐射，并且提高复合材料的力学性能及高温热稳定性。稳定性。稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种具有高热稳定性、低热导率的空心/核壳纤维掺杂的纳米多孔复合材料


[0001]本专利技术属于纳米绝热材料
，具体涉及一种具有高热稳定性、低热导率的空心/核壳纤维掺杂的纳米多孔复合材料。

技术介绍

[0002]随着航空航天技术的不断发展，飞行器飞行速度不断提高、飞行环境不断恶化，对热防护的要求也越来越苛刻。因此，一种轻质的高热稳定性、低热导率隔热材料成为高速飞行热防护应用的重要环节之一。纳米多孔气凝胶是近代微纳米科学及制备技术发展的产物，具有极低的密度和热导率、极高的孔隙率，作为一种新型高效纳米隔热材料被广泛应用。然而，高温热环境中，气凝胶会发生严重的烧结现象，导致颗粒融合、结构坍塌、体积收缩，隔热性能退化，严重限制了其在高温热防护领域中的应用。尽管增大气凝胶颗粒粒径或掺杂纤维、金属氧化物等耐高温材料在一定程度上提高其热稳定性，但由于掺杂材料本征热导率较高，将不可避免的降低材料的耐温隔热特性。因此，根据现有规模化制备技术，采用空心/核壳气凝胶大颗粒基体结合空心/核壳亚微米纤维作为一种新型复合结构，针对于不同的热防护应用需求，调节大颗粒基体、亚微米纤维的空心度以及不同材料的核壳结构，实现调节复合材料的不同密度、不同热导率以及不同机械强度。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提出了一种能够提高复合材料在高温热环境中的热稳定性，并且隔热性能满足航空航天、军用材料以及超高温度下热防护要求的具有高热稳定性、低热导率的空心/核壳纤维掺杂的纳米多孔复合材料。
[0004]为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：由若干个堆积的表面掺杂有金属氧化物的空心气凝胶基体单元和掺杂在该空心气凝胶基体单元内的若干垂直于热流方向定向排布的空心/核壳亚微米纤维单元组成。
[0005]空心/核壳亚微米纤维单元定向分布在空心气凝胶基体单元中形成复合结构，实现热防护作用，其中空心结构又可以极大降低材料的密度，空心/核壳亚微米纤维，可大幅度提升气凝胶复合材料的高温遮光性能，纤维的空心结构可根据不同应用环境，调节空心结构，实现调节亚微米纤维的热导率，并与热流方向垂直，实现热防护的作用。
[0006]所述的空心气凝胶基体单元包括空心/核壳气凝胶基体以及掺杂在该空心/核壳气凝胶基体表面的金属氧化物。
[0007]可通过调节空心/核壳气凝胶基体空心结构，实现在不同应用环境中，调节气凝胶大颗粒基体热导率。根据应用环境的热防护应用需求，调节金属氧化物的掺杂比例，实现复合材料的不同热导率、不同热稳定性以及不同密度。掺杂金属氧化物进一步提高材料的热稳定性。掺杂金属氧化物后材料等效热导率是通过非平衡分子动力学建立不同温度下掺杂金属氧化物质量分数和大颗粒基体固相热导率之间关系，并结合气凝胶随机导热模型计算
等效热导率。
[0008]所述的空心/核壳气凝胶基体空心结构的中空心度即空心气凝胶颗粒的内径和气凝胶粒径之比为大于0小于1。
[0009]根据不同应用环境调节空心颗粒空心度，实现调节气凝胶大颗粒基体的不同密度、不同热导率。采用气凝胶导热模型，根据不同的空心度计算不同温度下空心/核壳气凝胶大颗粒基体的热导率。
[0010]所述的空心/核壳气凝胶基体由空心的二氧化硅核和包覆在二氧化硅核表面的碳或炭黑壳组成。实现抑制辐射的作用。
[0011]所述的金属氧化物为三氧化二铝或氧化钛。
[0012]述的所述的空心/核壳亚微米纤维单元由空心的氧化铝核、碳壳或空心的炭黑核、氧化钛壳组成。
[0013]与现有技术相比，本专利技术具有的有效效果为：
[0014]本专利技术所述的空心/核壳气凝胶基体并且掺杂金属氧化物，采用空心结构降低增大颗粒粒径对复合材料热导率的影响，并且通过空心/核壳进一步抑制高温辐射，采用掺杂金属氧化物，提高复合材料的热稳定性。同时，可通过调节空心结构不同的空心度以及金属氧化物的不同掺杂比例，实现调控复合材料的密度、热导率以及热稳定性，可满足不同的热防护的应用需求。
[0015]本专利技术的空心/核壳亚微米纤维，纤维尺度是亚微米级别可增加复合材料的衰减性能，采用空心结构，降低复合材料密度的同时，降低了纤维的固相热导率，提高材料的耐温隔热特性。
[0016]本专利技术采用空心/核壳结构，如氧化铝(核)/碳(壳)或炭黑(核)/氧化钛(壳)等材料组成，使复合材料具有强遮光特性，并且具有一定抗氧化功能。同时，空心/核壳亚微米纤维在垂直于热流方向定向排布。
附图说明
[0017]图1是本专利技术的结构示意图；
[0018]图中，1，空心核壳气凝胶基体，2，空心/核壳基体骨架，4，金属氧化物，5，空心核壳空心度，6，空心气凝胶基体单元，7，空心/核壳亚微米纤维单元，8，空心的氧化铝或空心的炭黑核，9，碳壳或氧化钛壳。
具体实施方式
[0019]下面结合队图对专利技术做详细说明。
[0020]参见图1，本专利技术包括若干个堆积的表面掺杂有金属氧化物4的空心气凝胶基体单元6连接形成三维骨架结构2和掺杂在该空心气凝胶基体单元6内的若干垂直于热流方向定向排布的空心/核壳亚微米纤维单元7组成，其中空心气凝胶基体单元6包括空心/核壳气凝胶基体1以及掺杂在该空心/核壳气凝胶基体1表面的金属氧化物4，掺杂金属氧化物4,达到提高其热稳定性的目的。基体1由空心的二氧化硅核和包覆在二氧化硅核表面的碳或炭黑壳组成，进一步降低辐射热导率。其中金属氧化物4为三氧化二铝或氧化钛，空心/核壳气凝胶基体1空心结构的中空心度即空心气凝胶颗粒的内径和气凝胶粒径之比为大于0小于1，
通过调节空心核壳空心度5，实现调节空心/核壳大颗粒基体的密度、热导率以及热稳定性，满足不同热防护的应用需求；
[0021]本专利技术的空心/核壳亚微米纤维单元7由空心的氧化铝核8、碳壳9或空心的炭黑核8、氧化钛壳9组成；垂直于热流方向定向排布，并且纤维选取亚微米尺度纤维，可大幅度提升气复合材料的高温遮光性能。空心的氧化铝核或空心的炭黑核8，极大地降低了复合材料的密度以及纤维的固相热导率。
[0022]在高温热环境中，首先，空心/核壳气凝胶基体1可极大地降低材料的固相热导率，并且空心/核壳气凝胶基体1在一定程度上提高了复合材料的热稳定性。同时，核壳结构以及颗粒表面的金属氧化物，不仅大幅度降低辐射热导率，并且抑制高温烧结，进一步提高材料的热稳定性。其次，空心/核壳亚微米纤维，沿着热流垂直方向定向排布，空心/核壳结构在降低纤维固相热导率的同时，又极大地抑制了高温辐射，并且提高复合材料的力学性能及高温热稳定性。针对现有规模化制备技术，本专利技术采用空心/核壳结构，以氧化硅气凝胶大颗粒基体结合亚微米纤维，达到了降低材料热导率，提高热稳定性的目的，可以满足航空航天、军用材料以及超高温度下热防护等应用要求。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高热稳定性、低热导率的空心/核壳纤维掺杂的纳米多孔复合材料，其特征在于：由若干个堆积的表面掺杂有金属氧化物(4)的空心气凝胶基体单元(6)和掺杂在该空心气凝胶基体单元(6)内的若干垂直于热流方向定向排布的空心/核壳亚微米纤维单元(7)组成。2.根据权利要求1所述的具有高热稳定性、低热导率的空心/核壳纤维掺杂的纳米多孔复合材料，其特征在于：所述的空心气凝胶基体单元(6)包括空心/核壳气凝胶基体(1)以及掺杂在该空心/核壳气凝胶基体(1)表面的金属氧化物(4)。3.根据权利要求2所述的具有高热稳定性、低热导率的空心/核壳纤维掺杂的纳米多孔复合材料，其特征在于：所述的空心/核壳气凝胶基体(1)空...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐桂华，杨铭扬，司巧玲，胡洋，贺晨波，马原，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：