CN105731420A - 一种提高炭气凝胶复合材料隔热性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高炭气凝胶复合材料隔热性能的方法，目的是提供一种成本低、工艺简单、安全高效的提高炭气凝胶复合材料隔热性能的方法。技术方案包括以下步骤：先将炭气凝胶复合材料放入管式炉，密封；然后抽真空与通微孔化气体；接着将管式炉升温至微孔化温度，升至微孔化温度后微孔化一段时间；最后降温至室温，停止通气，得到微孔化炭气凝胶复合材料。采用本发明在保留了炭气凝胶复合材料的成形性和较好机械强度的前提下，有效降低了其的热导率，获得了更高的隔热性能，且本发明实施过程所需设备、工艺简单，成本低，效果好。

Description

一种提高炭气凝胶复合材料隔热性能的方法

技术领域

本发明涉及一种提高气凝胶复合材料性能的方法，尤其涉及一种提高炭气凝胶复合材料隔热性能的方法。

背景技术

气凝胶是一种轻质纳米多孔材料，其独特的纳米级骨架可降低固体热传导，纳米多孔结构可抑制气体热传导和对流热传导，因此，气凝胶具有优异的隔热性能，是目前公认的热导率最低的固态材料。

炭气凝胶作为气凝胶中的一种，除了具有气凝胶共性外，还具有耐超高温、比消光系数很高的特质，因此，炭气凝胶极具潜力作为新一代高性能隔热材料应用于航天、航空及工业等领域。但是，炭气凝胶固态热导率高，炭气凝胶的热导率由固态、气态、辐射和耦合热导率四部分组成，而固态热导率的比例最大，所以降低炭气凝胶复合材料热导率的关键在于降低固态热导率。

目前国内外对炭气凝胶的隔热性能研究相对较少，降低炭气凝胶复合材料固态热导率主要是通过优化制备工艺条件(包括反应物种类和配比、凝胶老化工艺、干燥工艺、炭化工艺等)来控制炭气凝胶复合材料的结构(主要包括增大孔隙率、提高比表面积、降低密度等)从而达到使其固态热导率降低的目的，冯军宗等为获得热导率低、收缩率较小的炭气凝胶对其制备过程中的水用量、碳酸钠用量和干燥方式等进行了系统地研究【冯军宗，炭气凝胶及其隔热复合材料的制备与性能研究【D】。国防科技大学博士学位论文，长沙，2011】，但以上降低炭气凝胶复合材料固态热导率的方法有一定的局限性。如何提高炭气凝胶复合材料隔热性能一直是本领域技术人员极为关注的技术问题。

发明内容

本发明要解决的问题在于提供一种成本低、工艺简单、安全高效的提高炭气凝胶复合材料隔热性能的方法。

为了更好地解决现有技术中存在的上述问题，本发明以二氧化碳、水蒸气为微孔化气体，对炭气凝胶复合材料进行气体微孔化处理，通过增加微孔数量，加大炭气凝胶复合材料对声子的散射，从降低炭气凝胶复合材料的固态热导率，最终达到提高炭气凝胶复合材料隔热性能的目的。炭气凝胶的微孔化处理主要源于开孔作用和扩孔作用，开孔作用的原理为带氧化性的气体与堵塞孔隙的无定型炭反应而将无定型炭除去，使闭孔打开，微孔孔洞增多；扩孔作用的原理为带氧化性的气体与孔隙内表面部分碳反应生成一氧化碳等气体排出。两种作用能形成孔隙或使孔隙直径增大从而提高炭气凝胶的微孔体积和比表面积，微孔数量增多是固态热导率降低的重要因素。

本发明降低炭气凝胶复合材料热导率的方法包括以下步骤：

(1)装样

将炭气凝胶复合材料放入管式炉，密封；

所述的炭气凝胶复合材料是指炭纤维增强炭气凝胶复合材料、炭泡沫增强炭气凝胶复合材料、碳化硅纤维增强炭气凝胶复合材料、氧化铝纤维增强炭气凝胶复合材料、氧化锆纤维增强炭气凝胶复合材料中任意一种；

(2)抽真空与通气

打开真空泵，将炉腔抽至-0.1MPa，以一定的速度通微孔化气体；

所述的微孔化气体是指二氧化碳或水蒸气；

所述的微孔化气体流速是10～300mL/min；

(3)升温与保温

将管式炉以1～5℃/min速率升温至微孔化温度，升至微孔化温度后微孔化一段时间；

所述的微孔化温度是800～1100℃；

所述的微孔化时间是0.5～10h；

(4)降温

微孔化结束后，以3℃/min的速率降温至室温，停止通气，得到微孔化炭气凝胶复合材料。

采用本发明可以达到以下技术效果：

(1)采用本发明可以有效降低炭气凝胶复合材料的热导率，获得更高的隔热性能的炭气凝胶复合材料。采用本发明对炭气凝胶复合材料处理后，材料的热导率显著降低。原理是带氧化性的微孔化气体使炭气凝胶骨架上的炭部分气化产生新的微孔并扩大原来各种大小的孔，从而增加了对声子散射，从而降低固态热导率。

(2)本发明对炭气凝胶微米量级的骨架结构没有本质上的破坏，微孔化过程主要是在纳米尺度增加了大量微小孔洞，极大地提高了比表面积，降底了热导率，而基本保留了原有的骨架结构和机械强度，即微孔化在提高炭气凝胶及其炭气凝胶复合材料的隔热性能的基础上，保留了它的成形性和较好的机械强度。

(3)本发明反应过程为气体反应，对样品无污染。本发明采用气体反应微孔化，未引入外来的金属离子、非金属离子等可能会影响炭气凝胶复合材料性质的元素。

(4)本发明实施过程所需设备、工艺简单，成本低，效果好。放入炭气凝胶或其复合材料，抽真空后充入带氧化性的气体，然后升温保温降温即可，没有可能会导致样品破坏或污染的繁杂步骤，设备和工艺简单样品容易得到保护易于工业化、工艺简单而耗时短。

具体实施方式

通过实施例对本发明作进一步的阐释，本发明的保护范围不应解释为仅限制于这些实施例。

实施例1

(1)装样

将炭纤维增强炭气凝胶复合材料放入管式炉，密封；

(2)抽真空与通气

打开真空泵，将炉腔抽至-0.1MPa，以10mL/min通微孔化气体二氧化碳；

(3)升温与保温

将管式炉以5℃/min速率升温至800℃，微孔化0.5h；

(4)降温

微孔化结束后，以3℃/min的速率降温至室温，停止通气，得到微孔化炭纤维增强炭气凝胶复合材料。

采用TPS2500sHot-disk热常数分析仪测试炭气凝胶微孔化前后的常温热导率。采用WDW-100多传感器电子万能试验机测量微孔化前后炭气凝胶复合材料的压缩强度(样品尺寸：20×20×20mm，压缩量10％)。实施例1微孔化前炭气凝胶复合材料的热导率为0.169W/(m·K)，微孔化后炭气凝胶复合材料的热导率为0.160W/(m·K)，热导率降低率达到5.1％，微孔化后炭气凝胶复合材料的隔热性能相对提高。微孔化前炭气凝胶复合材料的压缩强度为1.688MPa，微孔化后炭气凝胶复合材料的压缩强度为1.620MPa，压缩强度降低率仅4％，即炭气凝胶复合材料微孔化前后机械强度几乎没变。

实施例2～270

升温速率和降温速率仅影响过程所需的时间，对微孔化效果没有影响。实施例2～270主要围绕微孔化气体种类、微孔化温度、微孔化时间、微孔化气体流速4个关键工艺参数阐述微孔化工艺参数对炭气凝胶复合材料热导率和压缩强度的影响。表中未列的实验工艺参数与实施例1相同，实施例2～270所采用的工艺参数如表1所示。由表1可见，二氧化碳与水蒸气微孔化效果相当，微孔化温度并非越高越好，当微孔化温度超过950℃后虽然热导率仍然有所降低但是机械性能降低幅度也较大，在一定范围内，微孔化时间内越长微孔化效果越好，微孔化时微孔化气体流速越大越好。

表1实施例2～270所采用的工艺参数及微孔化前后炭气凝胶复合材料的性能变化

Claims (8)

1.一种提高炭气凝胶复合材料隔热性能的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，装样，方法是将炭气凝胶复合材料放入管式炉，密封；

第二步，抽真空与通气，方法是：打开真空泵，将炉腔抽至-0.1MPa，通微孔化气体；

第三步，升温与保温，方法是：将管式炉升温至微孔化温度，升至微孔化温度后微孔化一段时间；

第四步，降温，方法是：微孔化结束后，降温至室温，停止通气，得到微孔化炭气凝胶复合材料。

2.如权利要求1所述的一种提高炭气凝胶复合材料隔热性能的方法，其特征在于所述炭气凝胶复合材料指炭纤维增强炭气凝胶复合材料、炭泡沫增强炭气凝胶复合材料、碳化硅纤维增强炭气凝胶复合材料、氧化铝纤维增强炭气凝胶复合材料、氧化锆纤维增强炭气凝胶复合材料中任意一种。

3.如权利要求1所述的一种提高炭气凝胶复合材料隔热性能的方法，其特征在于所述微孔化气体指二氧化碳或水蒸气。

4.如权利要求1所述的一种提高炭气凝胶复合材料隔热性能的方法，其特征在于第二步所述通微孔化气体的流速是10～300mL/min。

5.如权利要求1所述的一种提高炭气凝胶复合材料隔热性能的方法，其特征在于第三步管式炉升温至微孔化温度时的速率为1～5℃/min。

6.如权利要求1所述的一种提高炭气凝胶复合材料隔热性能的方法，其特征在于第三步所述微孔化温度是800～1100℃。

7.如权利要求1所述的一种提高炭气凝胶复合材料隔热性能的方法，其特征在于第三步所述微孔化一段时间指0.5～10h。

8.如权利要求1所述的一种提高炭气凝胶复合材料隔热性能的方法，其特征在于第四步降温至室温的速率为3℃/min。