CN104119059A - 一种碳凝胶/SiO2凝胶复合气凝胶 - Google Patents
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Abstract
一种碳凝胶/SiO2凝胶复合气凝胶，由碳泡沫骨架和骨架孔隙中填充的碳凝胶/SiO2凝胶组成，其中碳泡沫骨架体积占比10～60％，复合气凝胶的密度为0.05～0.1g/m3，热导率≤0.8w/m·k。所述的碳泡沫骨架具有开孔结构，孔隙率为90％～97％，孔径为10～1000微米。所述的碳凝胶或者SiO2凝胶具有介孔纳米微球结构，孔径为2～100纳米，密度为0.1～0.5mg/cm3，离散分布在碳泡沫骨架支撑的孔壁中，填充率为70～95％。该复合气凝胶能够大幅度降低多孔材料本身带来的热辐射较大的问题，热导率不会随着温度的升高而急剧增加，并且具有轻质、耐高温和导热系数低的特点，可以制成各种大型复杂结构件，形成耐高温的热防护结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合气凝胶，特别是涉及一种碳凝胶/SiO2凝胶复合气凝胶。
背景技术
气凝胶是一种具有纳米结构的多孔材料，其孔隙率高达90％以上，密度最低可至0.001g/cm3，是目前世界上最轻的固体材料之一。它是明显不同于孔洞结构的在微米和毫米级的多孔材料，具有极大的比表面积。由于其特有的纳米多孔、三维网络结构，使其具有许多独特的性能，尤其表现在高孔隙率、低密度、低热导率等方面，可以广泛应用于隔热材料、透光材料、绝缘材料、隔音材料等领域。
申请号为201310725194.7的中国发明专利涉及一种耐高温二氧化硅气凝胶材料及其制备方法。该技术采用溶胶凝胶法制备SiO2溶胶，经过老化、溶剂替换，并采用超临界修饰工艺，获得机械强度高，易于加工的块状气凝胶。再经过800℃高温预处理，和六甲基二硅胺烷气相修饰，可制备出经1000℃高温处理后线性收缩仅5％、比表面积高达530m2/g的SiO2气凝胶。这种SiO2气凝胶可在高温催化、催化剂载体、高温保温隔热等高温领域应用。
申请号为201280043355.8的中国发明专利涉及一种二氧化硅-碳复合多孔质体，其通过将借助于表面活性剂而分散于水中的为颗粒状的碳、碱金属硅酸盐水溶液以及无机酸混合从而制备二氧化硅和为颗粒状的碳均匀分散的共分散体，其中，所述二氧化硅是碱金属硅酸盐和无机酸的反应产物，并通过使该共分散体包含的二氧化硅凝胶化而使共分散体多孔质化而获得。该二氧化硅-碳复合多孔质体被制备成比表面积为20-1000m2/g、细孔容积为0.3-2.0ml/g、平均西孔径2-100nm。
气凝胶由胶体粒子或高聚物分子相互聚集构成的纳米网络及其形成的纳米孔隙组成。孔隙中充满气态分散介质，孔隙率在80％以上，空洞尺寸为2～100nm，比表面积300～1000m2/g，是一种高分散的固体材料。其中，二氧化硅凝胶和炭气凝胶研究最为广泛。二氧化硅气凝胶的纵向声传播速率为100m/s(为固体材料中最低)，声阻抗随密度变化范围很大，是一种理想的声抗耦合材料。同时，二氧化硅气凝胶具有极低的固态和气态热导率，是一种高效的隔热材料，在航空航天、化工和节能建筑等领域具有广泛的应用前景。炭气凝胶具有高比表面积、高孔隙率、导电和耐酸碱腐蚀等特性，可以作为催化剂载体和超级电容器电极材料。而炭-二氧化硅复合气凝胶是一种新型杂化纳米复合材料，兼具二氧化硅气凝胶和炭气凝胶的优点，具有很高的科学研究价值和潜在的应用领域。
发明内容
在高温条件下，通过毛孔辐射的热量成为热量传导的主要方式，气凝胶等多孔材料高温条件下的热传导主要通过辐射进行。本项目旨在提供一种碳凝胶/SiO2凝胶复合气凝胶，能够大幅度降低多孔材料本身带来的热辐射较大的问题，材料的热导率不会随着温度的升高而急剧增加，并且具有轻质、耐高温和导热系数低的特点，可以制成各种大型复杂结构件，形成耐高温的热防护结构。
一种碳凝胶/SiO2凝胶复合气凝胶，其特征在于由碳泡沫骨架和骨架孔隙中填充的碳凝胶/SiO2凝胶组成，其中碳泡沫骨架体积占比10～60％。该碳凝胶/SiO2凝胶复合气凝胶的密度为0.05～0.1g/m3，热导率≤0.8w/m·K，能够在高温下长期使用，结构稳定。
所述的碳泡沫骨架呈三维网状，具有开孔结构，孔隙率为90％～97％，孔径大小不一，尺寸范围为10～1000微米，可以加工成各种复杂形状。
所述的碳凝胶或者SiO2凝胶具有介孔纳米微球结构，孔径为2～100纳米，密度为0.1～0.5mg/cm3。
所述的碳凝胶或者SiO2凝胶离散分布在碳泡沫骨架支撑的孔壁中，填充率为70～95％。
所述碳凝胶/SiO2凝胶复合气凝胶可以连接有陶瓷基复合材料外壳，也可以覆盖有碳化物或者高温金属氧化物保护涂层，形成一个完整的绝热防护体系。
本发明的主要优点是：①该复合气凝胶密度低，高温性能好，能够在高温下长期使用；②该复合凝胶能够大幅度降低孔隙的热辐射，热导率低，并且热导率随着温度的升高变化缓慢；③该复合凝胶具有碳泡沫骨架作为支撑，结构稳定，并且容易加工成各种形状；④该复合凝胶具有多级孔隙结构的配合，能够承受化学腐蚀而不渗透。
附图说明
图1为一种碳凝胶/SiO2凝胶复合气凝胶示意图。
图中10为碳泡沫骨架；20为碳凝胶或SiO2凝胶介孔纳米微球。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
实施例1
一种碳凝胶/SiO2凝胶复合气凝胶，密度为0.07g/m3，由碳泡沫骨架和骨架孔隙中填充的SiO2凝胶组成，碳泡沫骨架体积占总体积的30％。在1200℃高温下的热导率为0.8w/m·k，结构稳定。所述的碳泡沫骨架呈开孔结构，孔隙率为97％，平均孔径为10微米。SiO2凝胶具有介孔纳米微球结构，平均孔径为10纳米，密度为0.3mg/cm3，离散分布在碳泡沫骨架支撑的孔壁中，填充率为70％。该复合气凝胶密度低，能够大幅度降低孔隙的热辐射，高温性能优异，并且容易加工成各种形状。
实施例2
一种碳凝胶/SiO2凝胶复合气凝胶，密度为0.1g/m3，由碳泡沫骨架、骨架孔隙中填充的SiO2凝胶组成和表面的SiC涂层所组成，其中碳泡沫骨架体积占总体积的60％。在1000℃高温下的热导率为0.68w/m·k，结构稳定。所述的碳泡沫骨架呈开孔结构，孔隙率为90％，平均孔径为500微米。SiO2凝胶具有介孔纳米微球结构，平均孔径为100纳米，密度为0.5mg/cm3，离散分布在碳泡沫骨架支撑的孔壁中，填充率为90％。该复合气凝胶密度低，能够大幅度降低孔隙的热辐射，高温性能优异，并且容易加工成各种形状。
实施例3
一种碳凝胶/SiO2凝胶复合气凝胶，密度为0.09g/m3，由碳泡沫骨架和骨架孔隙中填充的碳凝胶组成，其中碳泡沫骨架体积占总体积的50％。在1200℃高温下的热导率为0.45w/m·k，结构稳定。所述的碳泡沫骨架呈开孔结构，孔隙率为95％，平均孔径为800微米。SiO2凝胶具有介孔纳米微球结构，平均孔径为70纳米，密度为0.2mg/cm3，离散分布在碳泡沫骨架支撑的孔壁中，填充率为92％。该复合气凝胶密度低，能够大幅度降低孔隙的热辐射，高温性能优异，并且容易加工成各种形状。
上述仅为本发明三个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.一种碳凝胶/SiO2凝胶复合气凝胶，其特征在于由碳泡沫骨架和骨架孔隙中填充的碳凝胶/SiO2凝胶组成，其中碳泡沫骨架体积占比10～60％，复合凝胶的密度为0.05～0.1g/m3，热导率≤0.8w/m·K。
2.根据权利要求1所述的碳凝胶/SiO2凝胶复合气凝胶，其特征在于所述的碳泡沫骨架呈三维网状，具有开孔结构，孔隙率为90％～97％，孔径大小不一，尺寸范围为10～1000微米。
3.根据权利要求1所述的碳凝胶/SiO2凝胶复合气凝胶，其特征在于所述的碳凝胶或者SiO2凝胶具有介孔纳米微球结构，孔径为2～100纳米，密度为0.1～0.5mg/cm3。
4.根据权利要求1或3所述的碳凝胶/SiO2凝胶复合气凝胶，其特征在于所述的碳凝胶或者SiO2凝胶离散分布在碳泡沫骨架支撑的孔壁中，填充率为70～95％。
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