【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超高温隔热材料，具体为一种通过硅-硼双原子掺杂改性制备高强韧碳气凝胶复合材料的制备方法。所制备的双原子掺杂高强韧碳气凝胶复合材料实现了强韧兼备，解决了碳气凝胶复合材料普遍存在强度低、韧性差的问题，所制备的碳气凝胶复合材料适用于高温隔热-承载一体化领域。
技术介绍
1、碳气凝胶是由纳米碳颗粒堆垛而成的具有三维纳米多孔结构的一类材料，具有低密度、高比表面积、低热导率等特点。和其他气凝胶相比，如sio2气凝胶（服役温度≤800℃）、al2o3-sio2气凝胶（服役温度≤1000 ℃）以及zro2气凝胶（服役温度≤1000℃），碳气凝胶具有最高的热稳定性，在惰性环境中可在2000 ℃以上保持其介孔结构。这些独特的优点使得碳气凝胶成为超高温环境下的理想热防护材料，特别是针对长时间、高热流、高焓值的服役场景。
2、然而，碳气凝胶材料存在本征强度低、质脆易碎以及大尺寸制备易开裂等问题，使其实际应用受到了极大限制。目前，改善碳气凝胶力学性能主要从骨架强化和引入增强体强化两个方面展开。
3、通过加强碳气凝胶碳颗粒之间的交联作用，进而提升颗粒网络结构的均匀性同时适当增加颗粒接触颈，在一定程度上可以提高碳气凝胶的力学性能。alshrah等通过调整溶液的ph值和改变催化剂以及水含量，成功地促进了气凝胶颗粒之间的强接触颈形成，创造出了具有更强力学性能的气凝胶，相关研究成果以“ development of high-porosity resorcinol fo
4、在碳气凝胶基体中引入增强体，通过添加物的骨架支撑作用和对裂纹的阻碍作用，可使复合后的气凝胶材料的力学强度较纯炭气凝胶有显著提高。常见的用于炭气凝胶复合材料的增强体主要有纤维、无机颗粒以及纳米碳材料等，其中尤以纤维的增强效果最为显著。碳纤维作为集高强度、高模量、耐高温、低膨胀系数等诸多优点于一体的理想纤维增强体，已被应用于碳气凝胶增强。fu等以水蒸气活化的短切碳纤维作为增强体，以异丙醇为溶剂，间苯二酚、糠醛作为有机前驱体，经溶胶凝胶、超临界干燥、炭化裂解后得到了短切活性碳纤维增强的炭气凝胶复合材料，相关成果以“ fabrication of activated carbon fibers/carbon aerogels composites by gelation and supercritical drying in isopropano”发表在 journal of materials research , vol. 18, no. 12, dec 2003，研究表明，尽管所得的短切碳纤维增强碳气凝胶复合材料压缩强度相较于纯炭气凝胶强度增加了一倍，但一方面较弱的碳气凝胶骨架结构难以承受载荷，另一方面炭化过程中凝胶基体与纤维收缩不匹配致使纤维-基体界面脱粘与严重的层间开裂，使得承载过程中应力难以传递至增强体，使得该材料的承载能力有限，离实际应用尚有距离。为了解决刚性纤维增强体与有机气凝胶基体在炭化过程中由于收缩失配导致的种种问题，研究人员通过引入有机前驱体纤维，利用其在炭化过程中与有机气凝胶骨架的同步收缩，有效避免基体产生裂纹，通过该方法得到的炭气凝胶复合材料的强韧性得到了明显提高。feng等通过预氧化聚丙烯腈（pan）纤维增强的复合材料在炭化过程中纤维与有机气凝胶骨架良好的协调收缩匹配性，最终制备出表面无明显裂，力学性能优良的碳气凝胶复合材料，相关成果以“ carbon fiber reinforced carbon aerogel composites for thermal insulation prepared by soft reinforcement”为标题，发表在 materials letters 67 (2012) 266–268，研究表明，其弯曲强度可达到（7.1±1.7）mpa，在300℃条件下的热导率为0.328 w·m-1·k-1。li等以酚醛纤维为增强体，将高压辅助相分离与常压干燥技术相结合，通过交联反应在聚合过程中提高界面结合强度的同时，保障有机纤维与气凝胶基体在炭化过程中协调收缩，相关成果以“ fabrication of large aerogel-like carbon/ carbon composites with excellent loadbearing capacity and thermal-insulating performance at 1800℃”为标题，发表在 acs nano 2022, 16, 6565−6577，最终得到了兼具优异承载能力和隔热性能的碳气凝胶复合材料。但是由于碳气凝胶基体与纤维之间为化学结合等常规界面，纤维/基体界面结合强度普遍较高，这在一定程度上限制了纤维的拔出增韧能力，因此所制备的碳气凝胶复合材料仍表现为脆性断裂。
5、综上所述，凭借强化碳气凝胶碳颗粒之间的交联作用增加颗粒间接触颈面积，或通过向碳气凝胶基体内引入第二相纤维增强体（如碳纤维、有机纤维、莫来石纤维等）可在一定程度上提升材料的力学性能，但始终不能使碳气凝胶复合材料摆脱“质脆易碎”的魔咒，材料在服役过程中如果受到损伤后极易形成贯穿性裂纹而失效，极大的限制了其工程化应用。因此，亟需研制一种兼具强度与韧性的碳气凝胶复合材料。
技术实现思路
1、本专利技术旨在提供一种高强韧碳气凝胶复合材料的制备方法，属于新型轻质碳基复合材料领域。该方法采用共混共聚法将硅、硼原子引入线性酚醛树脂分子链中，并采用预氧丝碳纤维作为增强体，生成硅、硼双原子掺杂有机气凝胶前驱体。其本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.硅-硼双原子掺杂改性制备碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的硅-硼双原子掺杂改性制备碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，硅烷改性剂为甲基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷中的一种或二种以上；催化剂为稀盐酸、乙酸、草酸中的一种或二种以上；
3.根据权利要求1所述的硅-硼双原子掺杂改性制备碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，线性酚醛树脂与硅烷改性剂的质量比为1：1~10：1；线性酚醛树脂与催化剂的质量比为5：1~100：1；
4.根据权利要求1所述的硅-硼双原子掺杂改性制备碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，线性酚醛树脂在催化剂作用下与硅烷改性剂的反应温度为50~150℃，反应时间为1~10 h，减压蒸馏温度为80~150 ℃，减压蒸馏压力为1~20 kPa，减压蒸馏时间为1~3 h；
5.根据权利要求1所述的硅-硼双原子掺杂改性制备碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，稀释剂为乙醇
6.根据权利要求1所述的硅-硼双原子掺杂改性制备碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，真空浸渍的压力为50~200 Pa，真空浸渍的保压时间为0.5~6 h。
7.根据权利要求1所述的硅-硼双原子掺杂改性制备碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，加热至保温的温度为50~150 ℃，加热过程从室温至保温温度的升温速率为0.3~5 ℃/min，保温时间为 10~42 h；
8.根据权利要求1所述的硅-硼双原子掺杂改性制备碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，真空炭化的压力为100~500 Pa，炭化温度为600~1500 ℃，从室温-干燥温度至炭化温度的升温速率为3~20 ℃/min，炭化时间为1~6 h。
9.一种权利要求1-8任一项所述的硅-硼双原子掺杂改性制备碳气凝胶复合材料的制备方法制备获得的硅-硼双原子掺杂改性制备碳气凝胶复合材料。
10.根据权利要求9所述的硅-硼双原子掺杂改性制备碳气凝胶复合材料制备方法制备获得的硅-硼双原子掺杂改性制备碳气凝胶复合材料，其特征在于，密度为0.45 g/cm3的碳气凝胶复合材料，其热导率仅为0.23 W·m-1·K-1，弯曲强度可达27.54 MPa，断裂功高达2742.06 J/m2。
...【技术特征摘要】
1.硅-硼双原子掺杂改性制备碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的硅-硼双原子掺杂改性制备碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，硅烷改性剂为甲基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷中的一种或二种以上；催化剂为稀盐酸、乙酸、草酸中的一种或二种以上；
3.根据权利要求1所述的硅-硼双原子掺杂改性制备碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，线性酚醛树脂与硅烷改性剂的质量比为1：1~10：1；线性酚醛树脂与催化剂的质量比为5：1~100：1；
4.根据权利要求1所述的硅-硼双原子掺杂改性制备碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，线性酚醛树脂在催化剂作用下与硅烷改性剂的反应温度为50~150℃，反应时间为1~10 h，减压蒸馏温度为80~150 ℃，减压蒸馏压力为1~20 kpa，减压蒸馏时间为1~3 h；
5.根据权利要求1所述的硅-硼双原子掺杂改性制备碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，稀释剂为乙醇、乙二醇、丙酮、异丙醇中的一种或二种以上；
6.根据权利要求1所述的硅-硼双原子掺杂改性制...
【专利技术属性】
技术研发人员：汤素芳，鲍克烨，李建，庞生洋，胡成龙，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：
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