CN112778017A - 一种陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料以及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料包括陶瓷基体,所述陶瓷基体为至少三种陶瓷纤维混合分布并互相搭接交联形成的三维网状微孔结构,所述陶瓷基体中至少包括两种隔温温域不相同的陶瓷纤维,且其上附着有硼源;所述陶瓷基体内填充有纳米气凝胶。种陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料制备方法包:将至少三种陶瓷纤维与硅源、硼源、去离子水的混合得陶瓷纤维浆料,并脱水干燥后制得陶瓷基体;所述陶瓷基体与气凝胶材料通过五步复合法得到陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料。所述陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料在实际使用时其隔热温域广、且隔热温域分布均匀,整体隔热效果好,耐温效果好,使用寿命长;通过所述方法可以制备所述陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料。

Description

一种陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料以及制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷纤维复合气凝胶材料技术领域,尤其是涉及一种提高陶瓷纤维复合气凝胶材料使用寿命以及高温条件下隔热效果的制备方法。
背景技术
陶瓷纤维材料,具有高强度、耐高温,且有较好的隔热效果;气凝胶材料是一种低密度纳米材料,其孔壁和孔径尺寸均为纳米量级,这种特殊结构使气凝胶具有超级隔热性能,气凝胶被认为是目前隔热性能最好的固态材料,氧化物气凝胶(如氧化硅、氧化铝、氧化锆及其复合氧化物),但是存在强度低等问题。将陶瓷纤维材料与气凝胶材料复合而成的陶瓷纤维复合气凝胶材料具有耐高温、隔热性能好,且具有较高强度,在军事、航空航天、化工、冶金、节能建筑等领域具有广泛的应用前景。
陶瓷纤维材料、气凝胶材料如果均匀稳定的复合,则气凝胶材料本身孔径低于空气分子粒径,同时其在陶瓷纤维材料结合时,将陶瓷纤细材料内部孔径也进一步减少,有利于整体复合材料的孔径绝大部分小于空气分子粒径,对热空气的对流传递起到很好的隔热作用。
但是热量传递包括三种方式,传导传热、对流传热和辐射传热;在400℃以内温度时,主要是传导传热、对流传热方式进行热量交换,对于空气对流的阻隔,起到非常有效的隔热效果;当在高温时,热量传递方式主要为辐射传热,复合材料对红外热辐射的散射性能决定了复合材料在高温下的隔热性能,复合材料本身的组成成分对红外热辐射的散射有非常大的影响;复合材料内部各颗粒尺寸、分散度也决定着最终的隔热性能。且不同的陶瓷纤维材料本身的耐热高温程度也并不相同。
现在市场使用的陶瓷纤维复合气凝胶材料,主要是用一种或两种陶瓷纤维混合烧结后作为基体材料,然后再与气凝胶材料结合;因此单独一种陶瓷纤维复合气凝胶材料成品主要是对一个较窄温度范围有好的隔热效果,超出这个范围,即使温度低于此范围隔热效果也不好;由于实际使用时,在高温时,材料工作的环境不容易是在一个较窄的温度范围,导致陶瓷纤维复合气凝胶材料成品实际的隔热效果,以及本身材料的耐温明显降低。
即使现有将几种不同耐温体系的基体材料层层叠加,然后与气凝胶材料结合,解决最终陶瓷纤维复合气凝胶材料成品的隔热温度范围窄的问题;但是实际使用时,由于不同基体材料为叠层铺设,而材料工作环境的温域变化大,导致耐温低的层状材料在短时间内出现大面积结构破坏,导致烧结坍塌,坍塌后整体陶瓷纤维复合气凝胶材料成品的隔热效果迅速降低,同时引起连锁反应,最终陶瓷纤维复合气凝胶材料使用寿命降低。
现在传统的陶瓷纤维复合气凝胶材料,一般主要是利用陶瓷纤维基体的硬度以及耐热性能,对于其隔热效果不高,因此对整体的隔热性能在广温域下效果不是很理想;且在传统制备陶瓷纤维基体时,由于陶瓷浆料在整个陶瓷纤维基体制备过程中出现陶瓷浆料混合不断凝聚导致陶瓷纤维互相搭接不均匀,致使最终陶瓷纤维基体内部陶瓷纤维出现较线装或团状的堆积纤维,且陶瓷纤维基体内部孔径过大、孔径分布不均匀,导致陶瓷纤维集体的隔热性能耐热性能降低;气凝胶在与陶瓷纤维基体浸渍过程中,出现气凝胶不均匀导致浸渍在陶瓷基体上的气凝胶分布不均匀,导致隔热效果降低。
发明内容
本发明目的在于,解决传统的陶瓷纤维复合气凝胶材料隔热温度范围窄,使用寿命低的问题,以及陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料在制备过程中容易出现孔径过大、分布不均等问题;陶瓷料浆中各陶瓷纤维出现互相搭接不均匀,陶瓷基体内部孔径,气凝胶在浸渍陶瓷基体前内部凝胶不分布均,以及浸渍后气凝胶在陶瓷集体上分布不均等问题;提供了一种陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料以及其制备方法。
为实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供了一种陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料,所述陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料,其包括陶瓷基体,所述陶瓷基体为至少三种陶瓷纤维混合分布并互相搭接交联形成的三维网状微孔结构,其中,所述陶瓷基体中至少包括两种隔温温域不相同的陶瓷纤维;所述陶瓷纤维上附着有硼源,所述硼源为含硼化合物;所述陶瓷基体内填充有纳米气凝胶。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:所述陶瓷基体包括至少三种均匀分布陶瓷纤维,在使用时,由于不同耐热温域的纤维材料互相交错搭接结合,即使使用温度高于部分陶瓷纤维的耐热温域,在一定时间内不会出现耐低温陶瓷损坏,更不会出现的烧结坍塌现象,由于陶瓷基体包括至少两种隔温温域的陶瓷纤维,且在各陶瓷纤维互相交错达接结合时,不仅整体隔温温域提高,且隔温温域分布均匀,避免了局部隔温温域窄的现象,明显提高了材料的耐温性能以及使用寿命;通过制备过程控制陶瓷基体拥有三维网状微孔结构,且在制备过程中至少加入硼源,在陶瓷基体上附着硼源,所述陶瓷基体的具有较广的隔热温域;由于陶瓷基体内部填充纳米气凝胶,减小了整体材料的孔径大小,阻断了通过热空气流动方式的热传递,同时部分气凝胶对热辐射的散射效果明显,明显提升了所述陶瓷纤维复合气凝胶的隔热性能,最终所述陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料在实际使用时其隔热温域广、且隔热温域分布均匀,整体隔热效果好,耐温效果好,使用寿命长。
进一步的,所述陶瓷纤维选用硅酸铝纤维、石英纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维中的至少三种;所述陶瓷纤维上附着有硅源,所述硅源为含硅化合物;所述纳米气凝胶为氧化硅气凝胶或者铝硅气凝胶。
采用上述进一步技术方案的有益效果在于,四种陶瓷纤维其耐热性能好,且对不同频率的红外热辐射的散射程度不同,拥有不同的隔热温域,将其互相交错搭接烧结后,其耐热温度高,且即使在使用温度高于部分陶瓷纤维时,此部分陶瓷纤维不会在短时间内烧坏,即使烧坏,陶瓷基体不会出现坍塌现象;所述氧化硅气凝胶的隔热效率高,所述铝硅气凝胶的隔热温域更广。
进一步的,所述陶瓷纤维包括石英纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维、硅酸铝纤维中的至少三种,任一陶瓷纤维重量份为10-80%;
陶瓷纤维总重:硅源重量:硼源重量=(10-4):(20-10):(0.2-0.4)。
采用上一步技术方案的有益效果在于,采用所述比例更有利于陶瓷基体的整体耐热温度,以及拥有更广的隔热温域同时,隔热温域分布均匀,隔热效率高。
根据本发明的另一个方面,提供了一种陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料的制备方法,
一种陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料制备方法,
包括以下步骤:
将至少三种陶瓷纤维与硅源、硼源、去离子水的混合得陶瓷纤维浆料;所述硅源、硼源分别为含硅化合物、含硼化合物。
将所述陶瓷纤维浆料脱水干燥后制得陶瓷基体;所述陶瓷基体的制备还包括陶瓷纤维湿坯、陶瓷纤维坯体的制备;
所述陶瓷纤维浆料脱水过程包括:加压阶段、稳压阶段、减压阶段;
所述陶瓷纤维浆料制备时需要通过搅拌制备,搅拌转速为4000-6000r/min;制备完毕后在陶瓷纤维浆料开始出现分陶瓷纤维聚积前进行脱水制得陶瓷纤维湿坯,所述陶瓷纤维湿坯的水分含量在6-9%;
所述陶瓷基体与气凝胶材料通过五步复合法得到陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料。
与现有技术相比,本发明一个方面技术方案的有益效果在于,通过将陶瓷纤维与硅源、硼源在去离子水中混合配制陶瓷纤维浆料,再进行脱水、烧结制备的陶瓷基体,能够实现各陶瓷纤维之间互相交错搭接结合,且含硅化合物以及含硼化合物能够均匀附着在陶瓷纤维上;通过加压阶段、稳压阶段、减压阶段三步进行脱水,有利于实现陶瓷纤维浆料脱水后内部的结构保持均匀分布,不会出现内部陶瓷纤维、硅源、硼源聚集现象;尤其避免了在压力减小时,陶瓷纤维坯体体积快速反弹,导致内部结构出现破坏,出现内部分布不均匀;通过陶瓷纤维脱水后湿坯的水分在6-9%,即可以不明显增加干燥时的效率,又可以避免在压滤过程中损坏了陶瓷湿坯的内部结构,同时可以在大于100℃进行陶瓷湿坯干燥时,水分快速出来,增加微孔的数量又不损坏陶瓷纤维湿坯的内部结构,有利于提高最终材料的隔热性能;通过五步法将气凝胶复合到陶瓷基体上,即保证了气凝胶在复合之前内部溶胶的尺寸较小,不产生团聚,同时又能均匀的复合在陶瓷基体上,且凝胶深入陶瓷基体内部的程度更大,有利于提高最终材料的隔热效果。
进一步的,陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料制备方法,其特征在于,
将混合陶瓷纤维加到去离子水中,且边添加边高速搅拌;搅拌转速为4000-6000r/min,所述混合后陶瓷纤维加入完毕后,继续搅拌10min后,再加入硅源、硼源;所述硅源、硼源加入时,继续保持4000-6000r/min高速搅拌,加入完毕后继续搅拌20min得到陶瓷纤维料浆;
所述陶瓷纤维包括石英纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维、硅酸铝纤维中的至少三种,任一陶瓷纤维重量份为10-80%;
陶瓷纤维总重:硅源重量:硼源重量=(10-4):(20-10):(0.2-0.4)。
所述陶瓷纤维总重与水重量比例为1:20-30。
采用上一步技术方案的有益效果在于,配方陶瓷纤维与去离子水在比例下,能够将陶瓷配方溶液混合均匀,且不会增加后期配方陶瓷纤维坯体烘干时的难度;尤其在所述4000-6000r/min转速下搅拌,能够实现配方陶瓷溶液中各相的均匀稳定,搅拌完毕后直接压滤,保证陶瓷溶液均匀稳定采用所述的陶瓷纤维以及硅源、硼源的比例更有利于提高最终材料的耐热性以、隔热温域以及隔热效率。
进一步的,石英纤维的直径为1-3um,长度为100-1000um;
所述氧化铝纤维,优选为多晶氧化铝纤维,所述氧化铝纤维直径为5-10um,长度为100-1000um;
所述氧化锆纤维,优选为ZrO2+Y2O3相稳定剂含量在99%以上;所述氧化锆纤维直径为5-12um,长度为100-1000um;
所述硅酸铝纤维直径为1-5um,长度为100-1000um;
所述硅源为硅溶胶或水玻璃中的一种或两种;所述硼源为BN或B4C中一种或两种。
采用上一步技术方案的有益效果在于,所述各陶瓷纤维在所述的直径、长度范围下,有利于混合均匀,尤其是在此状态下制备的所述陶瓷基体材料,内部孔径较小,且分布均匀。
进一步的,陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料制备方法,其特征在于,
所述加压阶段,加压时间30-60s,最大压力为4-5MP;
所述稳压阶段,压力为4-5MP,加压时间力50-60s;
所述减压阶段,压力从4-5MP降低到常压,时间为60-90s;
所述陶瓷纤维湿坯干燥时,第一步低温干燥反应,反应温度在50-70℃,时间为24-72h,将陶瓷纤维湿坯的水分由6-9%降低到4-7%;第二步提温干燥,干燥温度100-150℃,时间为8-24h。
采用上一步技术方案的有益效果在于,先快速加压,有利于使陶瓷纤维浆料内部的结构在加压时保持分布均匀;所述压力在4-5MPa时,即能快速脱水,又不破坏溶液中各类纤维的分布,不会出现溶液内部陶瓷纤维、硅源、硼源聚集现象;达到最大压力时,维持压力一定时间以及压滤结束后缓慢减压到常压,防止陶瓷溶液在压力变化时,出现,防止压滤后得到的配方陶瓷纤维坯体体积快速反弹,导致内部结构出现破坏,出现内部分布不均匀;通过将陶瓷纤维湿坯第一步低温干燥反应,即有利于硅源、硼源在陶瓷基体上的反应结合,又在较低温度下缓慢挥发水分,避免由于内部水分大快速挥发,导致陶瓷纤维湿坯部分内部结构坍塌,同时又将挥发后水分维持在4-7%降低量,在100-150℃下快速挥发,发生新的致孔效果,由于4-7%含水量不高,不会导致在致孔过程中,发生陶瓷纤维湿坯内部结构坍塌,即增加微孔的数量又不损坏陶瓷纤维湿坯的内部结构,有利于提高最终材料的隔热性能。
进一步的,陶瓷基体的制备过程还包括陶瓷纤维坯体的烧结得到陶瓷基体;将干燥后所述陶瓷纤维坯体在1100-1450℃下快速烧结,保温时间为1-2小时。
采用上一步技术方案的有益效果在于,将陶瓷纤维坯体烧结为陶瓷基体。
进一步的,陶瓷基体与气凝胶材料五步复合法,包括气凝胶溶胶、气凝胶前驱体、第一中间体、第二中间体的制备;
(1)气凝胶溶胶的制备;
(2)气凝胶前驱体的制备;
(3)气凝胶前驱体在陶瓷基体上的浸渍制备第一中间体;
(4)第一中间体的加醇老化制备第二中间体;
(5)第二中间体的超临界干燥。
采用上一步技术方案的有益效果在于,通过五步法将气凝胶复合到陶瓷基体上,即保证了气凝胶在复合之前内部溶胶的尺寸较小,不产生团聚,同时又能均匀的复合在陶瓷基体上,且凝胶深入陶瓷基体内部的程度更大,有利于提高最终材料的隔热效果。
进一步的,陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料制备方法,其特征在于,所述气凝胶为氧化硅气凝胶或铝硅气凝胶;
所述第一步气凝胶溶胶的制备方法为,
(1)所述氧化硅气凝胶的溶胶制备过程为将硅源与乙醇按比例混合后,加入去离子水搅拌均匀;然后调节混合后溶液pH为2-4,搅拌30-300min,得到混合均匀的溶胶;硅源、乙醇、去离子水摩尔比为1:(3-18):(3-15),所述硅源为正硅酸乙酯或水玻璃中一种;
(2)所述铝硅气凝胶的溶胶制备过程为,分别制备硅源溶胶、铝源溶胶,然后将硅源溶胶与铝源溶胶按1:3质量比例混合后,搅拌10-100min得到均匀混合的铝硅溶胶;
所述硅源溶胶制备过程为,将硅源与乙醇按比例混合后,加入去离子水中搅拌30-300min,得到均匀的硅源溶胶;
所述硅源、乙醇、去离子水摩尔比为1:(3-18):(3-15);
所述硅源为正硅酸乙酯或水玻璃中一种;
所述铝源溶胶制备过程为,按比例将铝源加入乙醇和去离子水的混合溶液中搅拌30-300min,得到均匀的铝源溶胶;
所述铝源、乙醇、去离子水的摩尔比为1:(6-20):(4-25);
所述铝源为氯化铝或硝酸铝等无机铝盐中一种。
第二步气凝胶前驱体的制备方法为,
(1)气凝胶为氧化硅气凝胶,所述氧化硅气凝胶前驱体制备过程为,将所述硅溶胶中加入酸碱调节剂,将pH调至6-7,迅速搅拌3-5min得到氧化硅气凝胶前驱体,所述氧化硅气凝胶前驱体制备后立即进入一下步使用;
(2)气凝胶为铝硅气凝胶,将所述铝源溶胶中加入1,2-环氧丙烷,迅速搅拌3-5min得到铝硅气凝胶前驱体,所述铝硅气凝胶前驱体制备后立即进入一下步使用;
第三步气凝胶前驱体在陶瓷基体上的浸渍制备第一中间体方法为,
将所述陶瓷基体材料置于容器中,预抽真空处理,保持压力≤-0.08MPa,保持时间30-40min,然后将刚制备的氧化硅气凝胶或铝硅气凝胶立即虹吸至真空容器内;浸渍完毕后继续抽真空30-40min后取出浸渍后的陶瓷基体,静置等其自然凝胶得到第一中间体;
第四步第一中间体的加醇老化制备第二中间体的方法为,
将浸渍气凝胶陶瓷基体加入无水乙醇在40-60℃温度下的烘箱中老化,每间隔12-24h,置换无水乙醇,置换3-5次后进行超临界干燥得到第二中间体;
第五步第二中间体的超临界干燥方法为,
所述超临界干燥,干燥温度为250-300℃,压力为5-12MPa,时间2-6h;干燥后降反应容器内压力降到常压时间为5-10分钟。
采用上一步技术方案的有益效果在于,通过第一步先制备气凝胶溶胶,在需要将气凝胶前驱体前躯体浸渍在陶瓷基体时,制备气凝胶前躯体,防止气凝胶前躯体中的凝胶进行团聚变大;通过对浸渍凝胶后的第一中间体在40-60℃下,多次加醇老化,实现凝胶在陶瓷基体中进一步分散,且有利于分散到陶瓷基体内部,得到第二中间体;通过超临界温度将第二中间体干燥为所述陶瓷陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的技术方案,下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1:
第一步骤:四元陶瓷纤维基体材料的制备;
选用四种陶瓷纤维,石英纤维的直径为1-3um;
氧化铝纤维,优选为多晶氧化铝纤维,其纤维直径为5-10um;
氧化锆纤维,优选为ZrO2+Y2O3相稳定剂含量在99%以上;其纤维直径为5-12um;硅酸铝纤维,其纤维直径为1-5um;四种陶瓷纤维进行短切预处理;短切预处理后得到陶瓷纤维长度为,石英纤维,其纤维的长度为100-1000um;氧化铝纤维,其纤维的长度为100-1000um;氧化锆纤维,其纤维的长度为100-1000um;硅酸铝纤维,其纤维的长度为100-1000um;
将四种短切预处理后的陶瓷纤维按氧化铝纤维:氧化锆纤维:硅酸铝纤维=25%:25%:25%:25%均匀混合。
混合后所述的配方陶瓷纤维与去离子水按1:29质量比例混合时,将混合后的配方陶瓷纤维缓慢加入高速搅拌的水中,搅拌转速为4000-6000r/min,加入完毕后,继续搅拌10min后配方陶瓷纤维水溶液与所述硅源、硼源按比例混合;混合质量比为配方陶瓷纤维:硅源:硼源=8:16:0.8,硅源为水玻璃,硼源为BN;混合时将硅源、硼源分别加入高速搅拌的配方陶瓷纤维水溶液中,搅拌转速为4000-6000r/min,加入完毕后,继续搅拌20min后进行配方陶瓷纤维坯体制备。
将配置完毕的所述配方陶瓷溶液通过压滤设备进行压滤,压滤时压力为4-5MPa,压滤时间为2-3min;压滤时,先快速加压,达到最大5MPa压力,在达到最大压力后,维持压力2min时间,压滤结束时,缓慢降低压力到常压。
将经过压滤后的陶瓷纤维坯体进行干燥,先在60℃下干燥60小时,然后在140℃下干燥12小时。
将干燥后所述配方陶瓷纤维坯体进行高温烧结,得到四元陶瓷纤维基体材料;具体烧结过程为将干燥后所述配方陶瓷纤维坯体在反应釜中进行烧结,设定温度为1350℃,保温时间为小时。
第二步骤:气凝胶的溶胶制备;
气凝胶为铝硅气凝胶;
铝硅气凝胶的溶胶制备过程为,首先分别制备硅源溶胶、铝源溶胶,然后将硅源溶胶与铝源溶胶按1:3质量比例混合后,搅拌80min得到均匀混合的铝硅溶胶;
硅源溶胶制备过程为,将硅源与乙醇按比例混合后,加入去离子水中搅拌270min,得到均匀的硅源溶胶;所述硅源、乙醇、去离子水摩尔比为1:12:10;所述硅源为正硅酸;铝源溶胶制备过程为,按比例将铝源加入乙醇和去离子水的混合溶液中搅拌270min,得到均匀的铝源溶胶;所述铝源、乙醇、去离子水的摩尔比为1:18:22;所述铝源为氯化铝。
第三步骤:陶瓷纤维基体材料与气凝胶材料复合;
将所述四元陶瓷纤维基体材料置于容器中,预抽真空处理,保持压力-0.1MPa,保持时间35min;然后向预备的所述铝源溶胶中加入1,2-环氧丙烷,迅速搅拌4min后,立即将混合溶液虹吸至真空容器内,对四元陶瓷纤维基体材料进行浸渍,混合溶液浸渍完毕后继续抽真空35min后取出浸渍后的四元陶瓷纤维基体材料;待溶胶凝胶后,加入无水乙醇在55℃温度下老化,每间隔24h,置换无水乙醇,置换4次后放入烘箱进行超临界干燥,干燥温度为280℃,压力为10MPa,时间5h;反应完毕后,在8分钟内缓慢将反应容器中压力放到常压,得到所述四元陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料。
实施例2:
本实施例与实施例1相同的内容不再赘述,本实施例与实施例1不同的特征在于:
第一步骤:四元陶瓷纤维基体材料的制备中,所使用的硼源为;B4C。
实施例3:
本实施例与实施例1相同的内容不再赘述,本实施例与实施例1不同的特征在于:
第二步骤:气凝胶的溶胶制备;
气凝胶为氧化硅气凝胶;
氧化硅气凝胶的溶胶制备过程为,将硅源与乙醇按比例混合后,加入去离子水搅拌均匀;然后调节混合后溶液pH为3,搅拌270min,得到混合均匀的溶胶;硅源、乙醇、去离子水摩尔比为1:12:10;所述硅源为正硅酸乙酯。
第三步骤:陶瓷纤维基体材料与气凝胶材料复合;
将所述四元陶瓷纤维基体材料置于容器中,预抽真空处理,保持压力-0.1MPa,保持时间35min,然后在氧化硅溶胶中加入氨水,将pH调至6.8,迅速搅拌4min后立即虹吸至真空容器内,对四元陶瓷纤维基体材料进行浸渍;浸渍完毕后继续抽真空35min后取出浸渍后的四元陶瓷纤维基体材料;待溶胶凝胶后,加入无水乙醇在55℃温度下老化,每间隔24h,置换无水乙醇,置换4次后放入烘箱进行超临界干燥,干燥温度为280℃,压力为10MPa,时间5h;反应完毕后,在8分钟内缓慢将反应容器中压力放到常压,得到所述四元陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解,本申请中所涉及的发明范围,并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案,同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下,由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能。

Claims (10)

1.一种陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料,其特征在于,包括
陶瓷基体,所述陶瓷基体为至少三种陶瓷纤维混合分布并互相搭接交联形成的三维网状微孔结构,其中,所述陶瓷基体中至少包括两种隔温温域不相同的陶瓷纤维;
所述陶瓷纤维上附着有硼源;
所述陶瓷基体内填充有纳米气凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料,其特征在于,所述陶瓷纤维选用硅酸铝纤维、石英纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维中的至少三种;
所述陶瓷纤维上附着有硅源;
所述纳米气凝胶为氧化硅气凝胶或者铝硅气凝胶。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料,其特征在于,所述陶瓷纤维包括石英纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维、硅酸铝纤维中的至少三种,任一陶瓷纤维重量份为10-80%;
陶瓷纤维总重:硅源重量:硼源重量=(10-4):(20-10):(0.2-0.4)。
4.一种陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将至少三种陶瓷纤维与硅源、硼源、去离子水的混合得陶瓷纤维浆料;
将所述陶瓷纤维浆料脱水干燥后制得陶瓷基体;所述陶瓷基体的制备还包括陶瓷纤维湿坯、陶瓷纤维坯体的制备;
所述陶瓷纤维浆料脱水过程包括:加压阶段、稳压阶段、减压阶段;
所述陶瓷纤维浆料制备时需要通过搅拌制备,搅拌转速为4000-6000r/min;制备完毕后在陶瓷纤维浆料开始出现分陶瓷纤维聚积前进行脱水制得陶瓷纤维湿坯,所述陶瓷纤维湿坯的水分含量在6-9%;
所述陶瓷基体与气凝胶材料通过五步复合法得到陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料。
5.根据权利要求4所述的一种四元陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料制备方法,其特征在于,
将混合陶瓷纤维加到去离子水中,且边添加边高速搅拌;搅拌转速为4000-6000r/min,所述混合后陶瓷纤维加入完毕后,继续搅拌10min后,再加入硅源、硼源;所述硅源、硼源加入时,继续保持4000-6000r/min高速搅拌,加入完毕后继续搅拌20min得到陶瓷纤维料浆;
所述陶瓷纤维包括石英纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维、硅酸铝纤维中的至少三种,任一陶瓷纤维重量份为10-80%;
陶瓷纤维总重:硅源重量:硼源重量=(10-4):(20-10):(0.2-0.4)。
所述陶瓷纤维总重与水重量比例为1:20-30。
6.根据权利要求5所述的一种陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料制备方法,其特征在于,
所述石英纤维的直径为1-3um,长度为100-1000um;
所述氧化铝纤维,优选为多晶氧化铝纤维,所述氧化铝纤维直径为5-10um,长度为100-1000um;
所述氧化锆纤维,优选为ZrO2+Y2O3相稳定剂含量在99%以上;所述氧化锆纤维直径为5-12um,长度为100-1000um;
所述硅酸铝纤维直径为1-5um,长度为100-1000um;
所述硅源为硅溶胶或水玻璃中的一种或两种;所述硼源为BN或B4C中一种或两种。
7.根据权利要求4所述的一种四元陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料制备方法,其特征在于,
所述加压阶段,加压时间30-60s,最大压力为4-5MP;
所述稳压阶段,压力为4-5MP,加压时间力50-60s;
所述减压阶段,压力从4-5MP降低到常压,时间为60-90s;
所述陶瓷纤维湿坯干燥时,第一步低温干燥反应,反应温度在50-70℃,时间为24-72h,将陶瓷纤维湿坯的水分由6-9%降低到4-7%;第二步提温干燥,干燥温度100-150℃,时间为8-24h。
8.据权利要求4所述的一种陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料制备方法,其特征在于,所述陶瓷基体的制备过程还包括陶瓷纤维坯体的烧结得到陶瓷基体;将干燥后所述陶瓷纤维坯体在1100-1450℃下快速烧结,保温时间为1-2小时。
9.据权利要求4所述的一种陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料制备方法,其特征在于,所述陶瓷基体与气凝胶材料五步复合法,包括气凝胶溶胶、气凝胶前驱体、第一中间体、第二中间体的制备;
(1)气凝胶溶胶的制备;
(2)气凝胶前驱体的制备;
(3)气凝胶前驱体在陶瓷基体上的浸渍制备第一中间体;
(4)第一中间体的加醇老化制备第二中间体;
(5)第二中间体的超临界干燥。
10.据权利要求9所述的一种四元陶瓷纤维复合气凝胶隔热材料制备方法,其特征在于,所述气凝胶为氧化硅气凝胶或铝硅气凝胶;
所述第一步气凝胶溶胶的制备方法为,
(1)所述氧化硅气凝胶的溶胶制备过程为将硅源与乙醇按比例混合后,加入去离子水搅拌均匀;然后调节混合后溶液pH为2-4,搅拌30-300min,得到混合均匀的溶胶;硅源、乙醇、去离子水摩尔比为1:(3-18):(3-15),所述硅源为正硅酸乙酯或水玻璃中一种;
(2)所述铝硅气凝胶的溶胶制备过程为,分别制备硅源溶胶、铝源溶胶,然后将硅源溶胶与铝源溶胶按1:3质量比例混合后,搅拌10-100min得到均匀混合的铝硅溶胶;
所述硅源溶胶制备过程为,将硅源与乙醇按比例混合后,加入去离子水中搅拌30-300min,得到均匀的硅源溶胶;
所述硅源、乙醇、去离子水摩尔比为1:(3-18):(3-15);
所述硅源为正硅酸乙酯或水玻璃中一种;
所述铝源溶胶制备过程为,按比例将铝源加入乙醇和去离子水的混合溶液中搅拌30-300min,得到均匀的铝源溶胶;
所述铝源、乙醇、去离子水的摩尔比为1:(6-20):(4-25);
所述铝源为氯化铝或硝酸铝等无机铝盐中一种。
第二步气凝胶前驱体的制备方法为,
(1)气凝胶为氧化硅气凝胶,所述氧化硅气凝胶前驱体制备过程为,将所述硅溶胶中加入酸碱调节剂,将pH调至6-7,迅速搅拌3-5min得到氧化硅气凝胶前驱体,所述氧化硅气凝胶前驱体制备后立即进入一下步使用;
(2)气凝胶为铝硅气凝胶,将所述铝源溶胶中加入1,2-环氧丙烷,迅速搅拌3-5min得到铝硅气凝胶前驱体,所述铝硅气凝胶前驱体制备后立即进入一下步使用;
第三步气凝胶前驱体在陶瓷基体上的浸渍制备第一中间体方法为,
将所述陶瓷基体材料置于容器中,预抽真空处理,保持压力≤-0.08MPa,保持时间30-40min,然后将刚制备的氧化硅气凝胶或铝硅气凝胶立即虹吸至真空容器内;浸渍完毕后继续抽真空30-40min后取出浸渍后的陶瓷基体,静置等其自然凝胶得到第一中间体;
第四步第一中间体的加醇老化制备第二中间体的方法为,
将浸渍气凝胶陶瓷基体加入无水乙醇在40-60℃温度下进行老化,每间隔12-24h,置换无水乙醇,置换3-5次后进行超临界干燥得到第二中间体;
第五步第二中间体的超临界干燥方法为,
所述超临界干燥,干燥温度为250-300℃,压力为5-12MPa,时间2-6h;干燥后降反应容器内压力降到常压时间为5-10分钟。
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