本发明专利技术提出一种高熵隔热气凝胶材料及其制备方法，以氧化石墨烯表面的含氧官能团作为多元组分金属离子螯合位点，石墨烯气凝胶三维网络为骨架，结合二维石墨烯片对高熵金属晶体生长的层状结构诱导作用，制备孔壁内由二维层状高熵金属氧化物晶体搭接的具有连续网络的高熵气凝胶材料。此方案制备的高熵气凝胶具有低导热率、低密度，在室温和高温空气环境中具有良好的压缩弹性，隔热性能显著优于对应的单组分氧化物气凝胶材料，在保温隔热以及耐高温热防护领域具有很好的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于功能材料，具体涉及一种高熵隔热气凝胶材料及其制备方法。
技术介绍
1、高性能保温隔热材料是航空航天、工业储罐、管道以及军工等领域热防护的关键组件，同时也是节能建筑和轨道交通的关键材料。气凝胶材料独特的高孔隙结构可有效降低固态热传导，同时由于其具有低密度、高比表面积和热稳定性等优点，成为了一种性能优异的保温隔热材料。
2、然而，传统高分子隔热气凝胶如聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、岩棉等仅能在室温下使用。陶瓷隔热气凝胶可以在一定的宽温域范围内具有优异的隔热性能，
3、如二氧化硅气凝胶可在室温到600℃下使用，但一般利用有机前驱体通过溶胶凝胶法结合超临界干燥制备，其制备工艺复杂，仅具有单一组分，且制备的二氧化硅纳米颗粒由串珠状结构搭接，机械可压缩性差，在600℃以上的环境下结构坍塌，无法适应日益增长的高温区隔热需求。
4、近年来，熵稳定氧化物材料逐渐兴起，高熵陶瓷通常含有由五种及五种以上陶瓷粉体组元，其各组元含量相近，构型熵高，且熵效应带来的晶格畸变可以降低陶瓷的导热率，同时具有比传统陶瓷更高的强度、模量、硬度，还具有很强的共价键特征及很高的熔点，可应用于各种极端服役环境，是新一代热结构材料的重要发展方向。对于高熵合金而言，原子半径差异越大，其晶格畸变越严重，从而对声子的折射率增加，进一步提高隔热性能。但基于休姆-罗瑟里规则，原子尺寸差异过大时，由于反应热为正，其直接合金化以及相应的宏观材料制备都十分困难，这类高熵组成更易发生相分离，难以发挥固溶合金晶格畸变效应，从而影响隔热性能。
技术实现思路
1、为了解决上述技术缺陷，本专利技术提出一种高熵隔热气凝胶的制备方法，成功制备出互不固溶、原子半径相差较大的元素成分组成的高熵氧化物气凝胶。
2、本专利技术通过将前驱体多元金属无机盐组分作为离子源与氧化石墨烯气凝胶壁中含氧官能团螯合进入层间，以石墨烯气凝胶三维网络骨架为牺牲模板，利用二维石墨烯片层对高熵金属氧化物晶体生长的模板诱导作用，制备孔壁由二维层状介孔高熵金属氧化物搭接的具有连续网络的气凝胶材料，所制备的高熵隔热气凝胶室温下和高温下均具有良好的隔热性能。
3、本专利技术的技术方案之一在于提供一种高熵隔热气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
4、（1）将氧化石墨烯分散液涂覆成膜并干燥，得到氧化石墨烯薄膜；
5、（2）将得到的薄膜置于多元金属无机盐的水溶液中浸泡4-12小时，干燥得到多元金属离子杂化膜；所述多元金属盐中包括两种或以上互不固溶的金属元素；如锆与镧、铜与钽、钼与银、钼与铜、铌与铜、铜与钨、锆与铜、铜与铁、铜与钴、铜与铪等。
6、（3）将得到的多元金属离子杂化膜置于发泡剂中发泡，干燥得到多元金属离子杂化气凝胶；
7、（4）将得到的多元金属离子杂化气凝胶在惰性气体中热处理得到高熵金属氧化物和石墨烯复合气凝胶，随后将复合气凝胶在空气中热处理去除石墨烯模板，得到高熵金属氧化物气凝胶。
8、进一步地，步骤1所述氧化石墨烯薄膜厚度为10-100 μm。
9、进一步地，步骤2所述多元金属无机盐包括所有金属无机盐，所述水溶液浓度不低于10wt%。
10、进一步地，步骤3所述发泡剂为水合肼溶液、硼氢化钠溶液、碳酸氢钠溶液和碳酸钠溶液中的一种。
11、进一步地，步骤4所述惰性气体中热处理为在惰性气体中1200℃保持2-4小时，步骤4所述空气中热处理为在空气中600℃保持1-2小时。
12、此方案制备的高熵氧化物气凝胶具有低导热率、低密度，在室温和高温空气环境中具有良好的压缩弹性，高弹性且在高温空气中稳定存在，隔热性能显著优于对应的单组分氧化物气凝胶材料，在保温隔热以及耐高温领域具有很好的应用前景。
13、本专利技术的技术方案之二在于提供一种上述方法制备的高熵隔热气凝胶，所述高熵隔热气凝胶具有球形微孔结构，孔壁由二维层状介孔高熵金属氧化物搭接。
14、在气凝胶中引入高熵化效应使晶格结构中存在严重畸变并且大量晶界引起大量声子散射，通过改变高熵陶瓷中不同金属离子，优选原子半径及原子质量相差较大的元素，可以增加声子在高熵陶瓷中散射的质量场扰动，进而阻碍声子传输，可以有效降低气凝胶壁中固体热传导陶瓷的导热率。
15、此外，二维高熵金属氧化物片层表面含有大量介孔，能够进一步降低声子平均自由程和气体热传导。并且在球形曲面结构上生长的高熵陶瓷，会为高熵晶体引入极大的曲率应力场，进而增加声子在高熵陶瓷中散射的应力场扰动，进一步阻碍声子传输，降低高熵陶瓷的导热率。
16、本专利技术的技术方案之三在于提供上述高熵隔热气凝胶的隔热应用。
17、本专利技术的有益效果：
18、（1）解决了原子尺寸差异过大时，高熵组成易发生相分离，难以发挥固溶体晶格畸变效应的难题。
19、（2）通过简单的溶液浸泡法，在二维的氧化石墨烯片上锚定多种金属无机盐离子，成功制备出互不固溶、原子半径相差较大的元素成分组成的高熵氧化物气凝胶。
20、（3）所得高熵气凝胶材料在室温下和高温下空气环境中均具有良好的隔热效果，在室温下其导热系数低至11 m w/(m•k)，同时基于氧化物陶瓷的耐氧化性，制备的高熵气凝胶在1000℃高温环境下，其导热系数低至40 m w/(m•k)。
21、（4）所得高熵气凝胶材料在室温和高温空气环境中均具有良好的压缩回弹性，通过球形微孔结构和二维纳米级薄壁为弹性模板，同时结合气凝胶壁内高熵晶体的强化效应，提高了气凝胶孔壁抵抗变形的能力，避免在高温热应力下的结构破坏，实现了高熵气凝胶在高温下高弹的特性。
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【技术保护点】
1.一种高熵隔热气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1所述氧化石墨烯薄膜厚度为10-100 μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2所述多元金属无机盐包括五种及以上金属无机盐，水溶液浓度不低于10 wt%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3所述发泡剂为水合肼溶液、硼氢化钠溶液、碳酸氢钠溶液和碳酸钠溶液中的一种，浓度为30％，发泡时间为1h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4所述惰性气体中热处理为在惰性气体中1200℃保持2-4小时，步骤4所述空气中热处理为在空气中600℃保持1-2小时。
6.一种如权利要求1所述的制备方法制备的高熵隔热气凝胶。
7.根据权利要求6所述的高熵隔热气凝胶，其特征在于，具有由二维片状介孔高熵金属氧化物晶体组成的孔壁。
8.一种如权利要求1所述的高熵隔热气凝胶的隔热应用。
【技术特征摘要】
1.一种高熵隔热气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1所述氧化石墨烯薄膜厚度为10-100 μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2所述多元金属无机盐包括五种及以上金属无机盐，水溶液浓度不低于10 wt%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3所述发泡剂为水合肼溶液、硼氢化钠溶液、碳酸氢钠溶液和碳酸钠溶液中的一种，浓度为3...
【专利技术属性】
技术研发人员：高超，夏雨星，庞凯，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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