耐高溫多孔陶瓷/氧化鋁氣凝膠隔熱材料的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種耐高溫多孔陶瓷/氧化鋁氣凝膠隔熱材料。本發(fā)明首先采用溶膠?凝膠法配制氧化鋁溶膠，其次采用耐高溫性能優(yōu)異的多孔陶瓷作為骨架結(jié)構(gòu)，浸漬氧化鋁溶膠，再經(jīng)過(guò)超臨界干燥，在多孔陶瓷的孔內(nèi)合成了納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氧化鋁氣凝膠，從而制備了耐高溫多孔陶瓷/氧化鋁氣凝膠隔熱材料。隔熱材料具有較高的強(qiáng)度和使用溫度，熱導(dǎo)率較低，能夠應(yīng)用于電子領(lǐng)域。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
耐高溫多孔陶瓷/氧化鋁氣凝膠隔熱材料
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種耐高溫多孔陶瓷/氧化鋁氣凝膠隔熱材料。
【背景技術(shù)】
[0002]氣凝膠的平均孔徑約在2?50納米，小于分子平均自由程，是一種應(yīng)用前景極大的超級(jí)絕熱材料。目前氣凝膠的研究已經(jīng)成為世界各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)，研究比較廣泛的S12氣凝膠耐高溫性能有限，一般使用溫度不超過(guò)800°c。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)隔熱材料的使用溫度要求越來(lái)越高，很多工況條件超過(guò)了800°C。氧化鋁氣凝膠不僅熱導(dǎo)率較低(30°C，Iatm熱導(dǎo)率僅為29mw/m.K，800°C，Iatm熱導(dǎo)率僅為98mw/m.K)，且具有更高的使用溫度，可以長(zhǎng)期使用于950°C的環(huán)境，是應(yīng)用于高溫工況的理想隔熱材料。但是氧化鋁氣凝膠存在的問(wèn)題是，強(qiáng)度低，脆性大且成型困難等因素，限制了氧化鋁氣凝膠在工業(yè)中的應(yīng)用。
[0003]為了解決這些問(wèn)題，目前的措施主要有兩種，一種是通過(guò)有機(jī)或無(wú)機(jī)粘結(jié)劑與氣凝膠粉末混合后壓制成型。此方法由于引入粘結(jié)劑，會(huì)影響氣凝膠的高溫隔熱效果。另一種主要是通過(guò)在溶膠過(guò)程中引入無(wú)機(jī)纖維、晶須等作為增強(qiáng)相，然后進(jìn)行凝膠、老化、干燥成型。無(wú)機(jī)纖維、晶須等在溶膠中則難以分散均勻，造成制備的材料強(qiáng)度不高;采用有固定外形的無(wú)機(jī)纖維氈或纖維預(yù)制件來(lái)通過(guò)溶膠浸漬，避免了纖維在溶膠中難以分散的問(wèn)題，易于成型，但對(duì)于較厚的部件，溶膠難以充分浸漬，工藝復(fù)雜且強(qiáng)度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服目前氧化鋁氣凝膠強(qiáng)度低、脆性大、成型困難的問(wèn)題，提供一種強(qiáng)度更高、易于成型同時(shí)耐溫性能優(yōu)異的耐高溫多孔陶瓷/氧化鋁氣凝膠隔熱材料。
[0005]本發(fā)明首先采用溶膠-凝膠法配制氧化鋁溶膠，其次采用耐高溫性能優(yōu)異的多孔陶瓷作為骨架結(jié)構(gòu)，浸漬氧化鋁溶膠，再經(jīng)過(guò)超臨界干燥，在多孔陶瓷的孔內(nèi)合成了納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氧化鋁氣凝膠，從而制備了耐高溫多孔陶瓷/氧化鋁氣凝膠隔熱材料。
[0006]本發(fā)明采用耐高溫性能優(yōu)異的多孔陶瓷作為骨架結(jié)構(gòu)，在其孔內(nèi)合成納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氧化鋁氣凝膠，從而制備耐高溫多孔陶瓷/氧化鋁氣凝膠隔熱材料。
[0007]—種耐高溫多孔陶瓷/氧化鋁氣凝膠隔熱材料，其特征在于該隔熱材料通過(guò)以下方法制備得到:
1)氧化鋁溶膠的配制
以鋁鹽為前驅(qū)體，加入醇類(lèi)溶劑和去離子水在40?80°C攪拌混合20-60min形成澄清透明的氧化鋁溶膠，冷卻至室溫；
2)多孔陶瓷/氧化鋁復(fù)合凝膠的形成
以乙醇或丙酮為溶劑，將多孔陶瓷進(jìn)行超聲波清洗，然后將多孔陶瓷浸入氧化鋁溶膠中，加入甲醇、酸催化劑、去離子水組成的混合溶液攪拌混合5-30min使得混合溶液及溶膠均能均勻分散在多孔陶瓷的孔隙內(nèi)，然后靜置即得復(fù)合凝膠；
3)凝膠的超臨界干燥以乙醇或異丙醇為干燥介質(zhì)，將復(fù)合凝膠放入超臨界干燥裝置內(nèi)，充入氮?dú)??5MPa，再以3?8°C/min的速率升溫至介質(zhì)溶劑的超臨界溫度以上，再以0.05-0.2MPa/min的速率泄壓，然后降溫冷卻即得到耐高溫多孔陶瓷/氧化鋁氣凝膠隔熱材料。
[0008]所述鋁鹽、醇類(lèi)溶劑和去離子水的摩爾比為1:8?24:0.4?4。
[0009]在所述步驟I)中加入遮光劑。
[0010]所述遮光劑與氧化鋁溶膠的質(zhì)量體積比為0.2?2:100g/mL。
[0011]所述遮光劑為六鈦酸鉀晶須、炭黑、鈦白粉、高嶺土和氮化硅中的任意一種或幾種。
[0012]所述鋁鹽為仲丁醇鋁、異丙醇鋁或硝酸鋁。
[0013]所述醇類(lèi)溶劑為甲醇、乙醇或異丙醇。
[0014]所述混合溶液中甲醇、酸催化劑、去離子水與鋁鹽的摩爾比為3?8:0.2-0.6:0.Ι-Ο.4:lo
[0015]所述酸催化劑為甲酸、乙酸、草酸和檸檬酸中的任意一種或幾種。
[0016]所述多孔陶瓷為氧化鋁、氧化鋯和碳化硅中的任意一種。
[0017]所述干燥介質(zhì)的體積為超臨界干燥裝置體積的5%?20%。
[0018]所述多孔陶瓷的孔為三維網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)相互貫通的氣孔，其孔隙率大于70%，孔徑小于5_，密度小于0.8g/cm3，抗壓強(qiáng)度大于0.5MPa。
[0019]本發(fā)明摻雜遮光劑是為了減小耐高溫多孔陶瓷/氧化鋁氣凝膠隔熱材料在高溫下的輻射傳熱。
[0020]本發(fā)明將多孔陶瓷作為增強(qiáng)相，浸漬溶膠后在多孔陶瓷的大孔中形成納米孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氧化鋁氣凝膠，解決了氧化鋁氣凝膠作為隔熱材料強(qiáng)度低、脆性大且成型困難的問(wèn)題，并且由于所選多孔陶瓷孔徑較大，易于浸漬溶膠，不需真空浸漬，簡(jiǎn)化了制備工藝。
[0021]本發(fā)明的隔熱材料具有較高的強(qiáng)度和使用溫度，熱導(dǎo)率較低，能夠應(yīng)用于電子領(lǐng)域。
[0022]本發(fā)明的有益效果:
(I)將多孔陶瓷和氧化鋁氣凝膠結(jié)合，在多孔陶瓷的孔內(nèi)形成納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氣凝膠，保持了隔熱材料大量的孔隙率，同時(shí)顯著提高了氣凝膠材料的強(qiáng)度，解決了氧化鋁氣凝膠材料的強(qiáng)度低、易碎裂以及成型困難的問(wèn)題。
[0023](2)多孔陶瓷耐高溫性更好，如多孔氧化鋁、碳化硅、氧化鋯陶瓷均可耐1200-1800°c，復(fù)合氧化鋁氣凝膠后使得隔熱材料能承受更高的使用溫度，提高了耐高溫性能。
[0024](3)選用的多孔陶瓷孔徑較大，易于浸漬溶膠，不需真空浸漬，縮短了制備周期，簡(jiǎn)化了工藝。
[0025](4)高溫下紅外輻射對(duì)隔熱效果有重要影響，本發(fā)明在氣凝膠中摻雜了遮光劑，可有效遮蔽紅外輻射，改善隔熱材料的高溫隔熱效果。
【具體實(shí)施方式】
[0026]實(shí)施例1
將仲丁醇鋁、乙醇、去離子水以摩爾比1:16:0.6混合，在60 °C攪拌30min后形成澄清透明的溶液，冷卻至室溫后倒入水熱釜中。將多孔碳化硅陶瓷用乙醇超聲波洗凈干燥后，放入水熱釜中浸漬溶膠。隨后加入甲醇、乙酸、去離子水的混合溶液，混合溶液加入量按三者與仲丁醇鋁的摩爾比依次為4:0.45:0.16:1，攪拌均勻，密封靜置I小時(shí)后將水熱釜放入2L的高壓釜中，加入乙醇200mL，然后密封高壓釜，通入氮?dú)庖源祾吒邏焊獌?nèi)空氣，然后加壓至3MPa，以3°C/min升溫至260°C，此時(shí)高壓釜內(nèi)壓力達(dá)到I IMPa，打開(kāi)排氣閥，以0.07MPa/min速率開(kāi)始泄壓，壓力泄完后降溫冷卻，得到耐高溫多孔碳化硅陶瓷/氧化鋁氣凝膠隔熱材料，密度為0.65 8/0113，壓縮強(qiáng)度3.33 MPa0
[0027]實(shí)施例2
將異丙醇鋁、異丙醇、去離子水以摩爾比1:12:4混合，在60°C攪拌40min后形成澄清透明的溶液，冷卻至室溫后倒入水熱釜中。將多孔氧化鋁陶瓷用丙酮超聲波洗凈干燥后，放入水熱釜中浸漬溶膠。隨后加入甲醇、甲酸、去離子水的混合溶液，混合溶液加入量按三者與異丙醇鋁的摩爾比依次為5:0.35:0.25: I，攪拌均勻，密封靜置I小時(shí)后放入2L的高壓釜中，加入異丙醇150mL，然后密封高壓釜，通入氮?dú)庖源祾吒邏焊獌?nèi)空氣，然后加壓至4MPa，以5°(:/11^11升溫至270°(:，此時(shí)高壓釜內(nèi)壓力達(dá)到12 MPa，打開(kāi)排氣閥，以0.1MPa/min速率開(kāi)始泄壓，壓力泄完后降溫冷卻，得到耐高溫多孔氧化鋁陶瓷/氧化鋁氣凝膠隔熱材料，密度為
0.56 區(qū)/0113，壓縮強(qiáng)度2.98 MPa0
[0028]實(shí)施例3
將仲丁醇鋁、甲醇、去離子水以摩爾比1:12:1混合，混合溶液按體積每10mL加入六鈦酸鉀晶須0.3g，在60°C攪拌40min后形成澄清透明的溶液，冷卻至室溫后倒入水熱釜中。將多孔氧化鋯陶瓷用乙醇超聲波洗凈，100°C干燥后，放入水熱釜中浸漬溶膠。加入甲醇、草酸、去離子水的混合溶液，混合溶液加入量按三者與硝酸鋁的摩爾比依次為5:0.35:0.25:1，攪拌1min后，蓋緊蓋子靜置I小時(shí)凝膠形成，放入2L的高壓釜中，加入甲醇150mL，然后密封高壓釜，通入氮?dú)庖源祾吒邏焊獌?nèi)空氣，然后加壓至4MPa，以5 °C/min升溫至270 °C，此時(shí)高壓釜內(nèi)壓力達(dá)到13 MPa，打開(kāi)排氣閥，以0.1MPa/min速率開(kāi)始泄壓，壓力泄完后降溫冷卻，得到耐高溫多孔氧化鋯陶瓷/氧化鋁氣凝膠隔熱材料。
[0029]實(shí)施例4
將硝酸鋁、乙醇、去離子水以摩爾比1:12:1.5混合，混合溶液按體積每10mL加入鈦白粉1.5g，在60°C攪拌40min后形成澄清透明的溶液，冷卻至室溫后倒入水熱釜中。將多孔碳化硅陶瓷用乙醇超聲波洗凈，100 °C干燥后，放入水熱釜中浸漬溶膠。加入甲醇、醋酸、去離子水的混合溶液，混合溶液加入量按三者與異丙醇鋁的摩爾比依次為5:0.35:0.25:1，攪拌1min后，蓋緊蓋子靜置I小時(shí)凝膠形成，放入2L的高壓釜中，加入異丙醇150mL，然后密封高壓釜，通入氮?dú)庖源祾吒邏焊獌?nèi)空氣，然后加壓至4MPa，以5°C/min升溫至270°C，此時(shí)高壓釜內(nèi)壓力達(dá)到13 MPa，打開(kāi)排氣閥，以0.1MPa/min速率開(kāi)始泄壓，壓力泄完后降溫冷卻，得到耐高溫多孔碳化硅陶瓷/氧化鋁氣凝膠隔熱材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種耐高溫多孔陶瓷/氧化鋁氣凝膠隔熱材料，其特征在于該隔熱材料通過(guò)以下方法制備得到: 1)氧化鋁溶膠的配制 以鋁鹽為前驅(qū)體，加入醇類(lèi)溶劑和去離子水在40?80°C攪拌混合20-60min形成澄清透明的氧化鋁溶膠，冷卻至室溫； 2)多孔陶瓷/氧化鋁復(fù)合凝膠的形成 以乙醇或丙酮為溶劑，將多孔陶瓷進(jìn)行超聲波清洗，然后將多孔陶瓷浸入氧化鋁溶膠中，加入甲醇、酸催化劑、去離子水組成的混合溶液攪拌混合5-30min使得混合溶液及溶膠均能均勻分散在多孔陶瓷的孔隙內(nèi)，然后靜置即得復(fù)合凝膠； 3)凝膠的超臨界干燥 以乙醇或異丙醇為干燥介質(zhì)，將復(fù)合凝膠放入超臨界干燥裝置內(nèi)，充入氮?dú)??5MPa，再以3?8°C/min的速率升溫至介質(zhì)溶劑的超臨界溫度以上，再以0.05-0.2MPa/min的速率泄壓，然后降溫冷卻即得到耐高溫多孔陶瓷/氧化鋁氣凝膠隔熱材料。2.如權(quán)利要求1所述的隔熱材料，其特征在于所述鋁鹽、醇類(lèi)溶劑和去離子水的摩爾比為1:8?24:0.4?4。3.如權(quán)利要求1所述的隔熱材料，其特征在于在所述步驟I)中加入遮光劑。4.如權(quán)利要求3所述的隔熱材料，其特征在于所述遮光劑與氧化鋁溶膠的質(zhì)量體積比為0.2~2:100g/mL。5.如權(quán)利要求3或4所述的隔熱材料，其特征在于所述遮光劑為六鈦酸鉀晶須、炭黑、鈦白粉、高嶺土和氮化硅中的任意一種或幾種。6.如權(quán)利要求1或2所述的隔熱材料，其特征在于所述鋁鹽為仲丁醇鋁、異丙醇鋁或硝fefp。7.如權(quán)利要求1或2所述的隔熱材料，其特征在于所述醇類(lèi)溶劑為甲醇、乙醇或異丙醇。8.如權(quán)利要求1所述的隔熱材料，其特征在于所述混合溶液中甲醇、酸催化劑、去離子水與鋁鹽的摩爾比為3~8:0.2?0.6:0.1?0.4:1。9.如權(quán)利要求1或8所述的隔熱材料，其特征在于所述酸催化劑為甲酸、乙酸、草酸和檸檬酸中的任意一種或幾種。10.如權(quán)利要求1所述的隔熱材料，其特征在于所述多孔陶瓷為氧化鋁、氧化鋯和碳化硅中的任意一種；所述多孔陶瓷的孔為三維網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)相互貫通的氣孔，孔隙率大于70%，孔徑小于5_。
【文檔編號(hào)】C04B41/85GK106007803SQ201610321608
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月16日
【發(fā)明人】楊景鋒, 王齊華, 王廷梅
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所