CN113603500A - 一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫及制备方法 - Google Patents

一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113603500A
CN113603500A CN202110891896.7A CN202110891896A CN113603500A CN 113603500 A CN113603500 A CN 113603500A CN 202110891896 A CN202110891896 A CN 202110891896A CN 113603500 A CN113603500 A CN 113603500A
Authority
CN
China
Prior art keywords
activated carbon
foam
nanowire
precursor
batch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110891896.7A
Other languages
English (en)
Inventor
成来飞
叶昉
郭楚楚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northwestern Polytechnical University
Original Assignee
Northwestern Polytechnical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northwestern Polytechnical University filed Critical Northwestern Polytechnical University
Priority to CN202110891896.7A priority Critical patent/CN113603500A/zh
Publication of CN113603500A publication Critical patent/CN113603500A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/06—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances
    • C04B38/063—Preparing or treating the raw materials individually or as batches
    • C04B38/0635—Compounding ingredients
    • C04B38/0645—Burnable, meltable, sublimable materials
    • C04B38/068—Carbonaceous materials, e.g. coal, carbon, graphite, hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
    • C04B35/571—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide obtained from Si-containing polymer precursors or organosilicon monomers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62227—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres
    • C04B35/62272—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres based on non-oxide ceramics
    • C04B35/62277—Fibres based on carbides
    • C04B35/62281—Fibres based on carbides based on silicon carbide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6562—Heating rate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6565—Cooling rate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6567—Treatment time
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
    • C04B2235/6581—Total pressure below 1 atmosphere, e.g. vacuum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/94—Products characterised by their shape
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/95—Products characterised by their size, e.g. microceramics
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9607—Thermal properties, e.g. thermal expansion coefficient

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明涉及一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫及制备方法，其特征在于表层体积分数高于芯层体积分数，层间实现体积分数渐变过渡；层内由单晶纳米线构建均匀的孔隙，相互搭接形成三维网络骨架。通过模板法和聚合物转化法相结合，实现原位自生不同体积分数纳米线层状结构的一步成型。本发明所提供的技术方案制得的层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的制备工艺，步骤简单、周期短、成本低。能够有效保证层内纳米线纯净且均匀分布，层间结合良好。该工艺可靠、可重复性高，有潜力发展成为面向高温使用的隔热承载一体化材料的工程化、产业化制备技术，为其批量生产奠定工艺基础。

Description

一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫及制备方法
技术领域
本发明属于新材料的制备技术领域，涉及一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫及制备方法。
背景技术
泡沫材料由于具备高的孔隙率以及纳米网络骨架相互连接所形成的介孔结构，使其具有极好的隔热性能，并且在高温下网络结构仍能保持完整，是现阶段的研究热点。常见的隔热泡沫材料体系主要有：氧化物陶瓷体系、碳体系和非氧化物陶瓷体系。在使用过程中，氧化物陶瓷泡沫材料耐温相对较低，碳泡沫材料在有氧氛围下容易发生烧蚀，非氧化物陶瓷泡沫材料能够面向更高温领域使用，且抗氧化性较碳材料也更为优异，因此研究人员将非氧化物陶瓷泡沫材料的性能研究作为重点。
泡沫材料对热量的传递方式主要有三种：固态传热、气态传热和辐射传热。根据上述热传递方式，泡沫材料可通过以下途径获得良好隔热性能：(1)降低泡沫的密度，减弱材料的固相传热；(2)降低泡沫的孔隙率或者减小孔径，降低材料气相传热；(3)增加材料对热辐射的反射率。但是降低密度的同时会使泡沫骨架的强度更低；降低体系孔隙率会增强光子与泡沫材料的相互作用，从而增加固相传热。因此想要获得良好隔热性能，需协同优化密度、孔隙率、孔径等参数，即降低密度、增加孔隙率的同时减小孔径。在此基础上若还期望获得良好承载能力，则较为有效的办法是对材料进行微结构到宏观结构的多尺度结构设计。
微结构上，当泡沫材料由纳米颗粒、单晶纳米线或单晶纳米带等组成时，可通过调控这些纳米材料的分布和含量实现泡沫材料内部孔隙结构的优化，达到提升泡沫材料隔热性能的目的。相比纳米颗粒，单晶纳米线具有一定的长径比，通过相互搭接形成孔隙结构使泡沫材料具备良好的隔热性能，同时，单晶纳米线也可作为骨架提高泡沫材料的承载能力。宏观结构上，泡沫材料通常为均质结构或层状结构，其中均质泡沫的隔热和力学性能提升有局限，相比之下，层状泡沫的性能优化空间更大。在层状结构泡沫材料的设计中，面向隔热性能的提升要求，需使高密度材料分布在表层，低密度材料分布在芯层，这种设计可以有效降低材料的热导率；面向力学性能的提升，材料需是由轻质芯体与高密度外壳组成的夹层结构，其中低体积分数芯层能够增大结构的惯性矩，而不增加材料的质量，该结构是一种抗弯曲和屈曲载荷的有效结构。由此可见，表层高体积分数，芯层低体积分数的对称层状结构对协同提高泡沫材料的隔热和力学性能十分有利。综上所述，期待制备一种由单晶纳米线构成的层状结构非氧化物陶瓷泡沫材料，技术难点在于：(1)如何实现层状结构中不同区域单晶纳米线分布和含量的精确控制，以满足泡沫材料对不同区域孔隙率和密度的要求；(2)如何发展一种一体成型方法制备该种层状结构泡沫材料，实现层与层间的紧密结合，直接解决分层制造-组装粘接的组合式工艺带来的工序复杂、工艺控制难度大、层间结合差、力学性能不足等问题。
在当前的研究中：Lei Su等通过裂解硅氧烷干凝胶制备出氮化硅纳米带气凝胶泡沫。氮化硅纳米带的宽度为1μm，长度为数十至数百μm。将氮化硅纳米带薄膜铺叠，通过热压的方式，利用氮化硅纳米带氧化生成的SiO2非晶层作为粘接剂使各层纳米带薄膜组装成为不同体积分数的气凝胶泡沫宏观体(ACS Appl.Mater.Interfaces 2019,11,15795-15803)。这种气凝胶泡沫微观上实现了单晶结构，对力学性能有益；但宏观上每层薄膜结构相同，泡沫整体呈现均质结构。Jia-Yin Gui等采用分层溶胶-凝胶法，对硅溶胶逐层凝胶化，再进行超临界干燥得到具有层状结构的SiO2气凝胶(J Sol-Gel Sci Technol 2011,58:470–475)。这种SiO2气凝胶在宏观上具有单向梯度结构特征，但是微观上由SiO2颗粒形成，相比单晶结构纳米材料构成的泡沫材料，其承载能力提升有限。这些研究多采用烧结工艺实现层与层之间的连接，不可避免地增加了工艺复杂度；而且这些研工艺方法都不能通过一步成型制备出具有层状结构的纳米线泡沫材料。
由此可见，目前尚无有关层状结构非氧化物陶瓷泡沫材料的研究报道，亟待发展新型工艺方法制备一种表层单晶纳米线体积分数高，芯层纳米线体积分数低，层间体积分数渐变过渡，层内纳米线相互搭接构建三维无序网络、形成均匀孔隙分布的层状结构非氧化物陶瓷泡沫材料。这种新型制备工艺需实现层状泡沫的一体化成型，不再通过添加烧结层进行分层制造组装连接；需实现泡沫组分的设计、各层中纳米线体积分数以及各层厚度的调控；需实现泡沫中纳米线在层内的均匀分布和层间的体积分数梯度过渡；当将该泡沫材料投入应用时，能最大程度发挥高效隔热和承载作用。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫及制备方法，针对隔热泡沫材料提供了一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的一体化制备方法，具体涉及一种结合层状结构设计，采用聚合物转化法制备层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的方法。该方法解决了当前层状结构泡沫材料成型工艺复杂、很难实现一体化制备等问题。该方法工艺成本低、周期短、产量高、稳定性好。该方法制备的层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫具有良好的隔热性能，表层密度高，芯层密度低。各层内部为成分纯净、尺寸可控、体积分数可调、结构均匀的单晶陶瓷纳米线，层间呈现纳米线梯度渐变分布，无明显分层，结合力好。将其作为隔热材料，能够满足更严苛的服役条件。同时，该层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫兼具承载能力，有望实现结构功能一体化要求。
技术方案
一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫，其特征在于表层体积分数高于芯层体积分数，层间实现体积分数渐变过渡；层内由单晶纳米线构建均匀的孔隙，相互搭接形成三维网络骨架。
一种所述层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫一体化制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1.活性炭的预处理：以活性炭粉作为模板，将活性炭粉在丙酮中浸泡24-48h后，在70-90℃蒸馏水中浸泡30min-1h，去除活性炭粉中的杂质；随后将活性炭粉置于真空干燥箱干燥；
步骤2.先驱体溶液的制备：将硅基陶瓷、超高温体系先驱体的有机聚合物先驱体与二甲苯/环己烷以1∶0.5～10的质量比配制成先驱体溶液，采用磁力搅拌；再以5wt.％的比例混入催化剂，随后采用磁力搅拌；
步骤3.配合料A的制备：将步骤1的活性炭粉与步骤2中配置好的先驱体溶液混合配成活性炭负载先驱体配合料A；将配合料倒入烧杯中采用机械搅拌；
所述活性炭粉与先驱体溶液的质量比为1-5∶1；
步骤4.配合料B的制备：将步骤1的活性炭粉与步骤2中配置好的先驱体溶液混合配成活性炭负载先驱体配合料B；将配合料倒入烧杯中采用机械搅拌；
所述活性炭粉与先驱体溶液的质量比为5-10∶1；
步骤5.坯体的制备：将搅拌后的配合料A和B按照设计好的层状结构按质量比依次铺入模具中，在压片机中采用1-10MPa的压力压制成预制体。卸载后取出压制成型的坯体；
步骤6.先驱体的裂解：将压制好的坯体放入真空管式炉中裂解生长纳米线，炉内真空度为0.09MPa，裂解过程升温速率为3-10℃/min，裂解温度为1200-1500℃，保温时间为1-3h；然后以3-10℃/min降温至600℃后，随炉冷却；
制备碳化硅纳米线预制体需要通入氩气作为保护气氛；
制备氮化硅纳米线预制体时需要通入氮气作为保护气氛；
步骤7.活性炭的去除：将步骤6得到的含有活性炭的层状陶瓷纳米线泡沫放入管式炉中在空气气氛下氧化除去活性炭，升温速率为3-10℃/min，氧化温度为600℃，保温4-7h后随炉冷却，至此，得到层状陶瓷纳米线泡沫。
所述超高温体系先驱体的有机聚合物先驱体包括但不限于聚碳硅烷、聚硅氮烷、聚锆碳烷或聚硼锆烷一种或多种硅基或超高温基先驱体溶液。
所述催化剂包括但不限于二茂铁、苯乙酸铁或二茂镍。
所述步骤1中所述活性炭粉至少采用200目粉状活性炭。
所述步骤1中的干燥温度为60-100℃，干燥时间为12-24h。
所述步骤2中的磁力搅拌在200r/min的转速下连续搅拌30min。
所述步骤3和步骤4中的机械搅拌为：在200rpm的转速下连续搅拌10min。
有益效果
本发明提出的一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫及制备方法，通过模板法和聚合物转化法相结合，实现原位自生不同体积分数纳米线层状结构的一步成型。通过控制先驱体浓度、活性炭粉比例等关键工艺参数，可实现对各层纳米线结构、尺寸、体积分数，以及各层厚度的调控与优化。微结构上由单晶纳米线构成，通过相互搭接形成孔隙结构使泡沫材料具备良好的隔热性能，同时，单晶纳米线也可作为骨架提高泡沫材料的承载能力。宏观结构上具有表层密度高，芯层密度低的层状结构，对协同提高泡沫材料的隔热和力学性能十分有利。本发明所提供的技术方案制得的层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的制备工艺，步骤简单、周期短、成本低。能够有效保证层内纳米线纯净且均匀分布，层间结合良好。该工艺可靠、可重复性高，有潜力发展成为面向高温使用的隔热承载一体化材料的工程化、产业化制备技术，为其批量生产奠定工艺基础。
与现有技术相比，本发明的有益效果有以下几点：
(1)本发明涉及的层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫，表层体积分数高，芯层体积分数低；层内由单晶纳米线构建均匀的孔隙，相互搭接形成三维网络骨架；层间实现体积分数渐变过渡。这种层状结构特征，能够实现隔热性能和力学性能的协同优化；
(2)本发明涉及的层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的制备工艺，将层状结构设计和模板聚合物转化法相结合，实现层状结构的一步成型。其特点在于：通过控制先驱体浓度、活性炭粉比例等关键工艺参数，可实现对各层纳米线结构、尺寸、体积分数，以及各层厚度的调控与优化；
(3)本发明涉及的层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的制备工艺，步骤简单、周期短、成本低。能够有效保证层内纳米线纯净且均匀分布，层间结合良好。该工艺可靠、可重复性高，有潜力发展成为面向高温使用的隔热承载一体化材料的工程化、产业化制备技术，为其批量生产奠定工艺基础。
附图说明
图1.是本发明实施例1层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的宏观照片和工业CT照片。
图2.是本发明实施例1层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的扫描电子显微镜(SEM)照片。
图3.是本发明实施例1层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的X射线衍射(XRD)图谱。
图4.是本发明实施例1层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的透射电子显微镜(TEM)照片。
图5.是本发明实施例1层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的压缩应力-应变曲线
图6.是本发明实施例2层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的宏观照片和工业CT照片。
图7.是本发明实施例2层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的扫描电子显微镜(SEM)照片。
图8.是本发明实施例2层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的X射线衍射(XRD)图谱。
图9.是本发明实施例2层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的透射电子显微镜(TEM)照片。
图10.是本发明实施例2层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的压缩应力-应变曲线。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清晰地描述，很显然，所描述实施例只是本发明的实施例中的一部分。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动、不脱离本发明所提供的方法前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
步骤1.活性炭的预处理：本发明采用活性炭粉作为模板。将活性炭粉在丙酮中浸泡24h后，在70℃蒸馏水中浸泡30min，去除活性炭粉中的杂质。随后将活性炭粉置于真空干燥箱干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为12h；
步骤2.先驱体溶液的制备：将聚碳硅烷与二甲苯/环己烷以1：6的质量比配制成先驱体溶液，采用磁力搅拌在200rpm的转速下连续搅拌30min。再以5wt.％的比例混入二茂铁，随后采用磁力搅拌在200r/min的转速下连续搅拌30min；
步骤3.配合料A的制备：取适量除杂后的活性炭粉与步骤2中配置好的先驱体溶液混合配成活性炭负载先驱体配合料A。其中，活性炭粉与先驱体溶液的质量比为3：1。将配合料倒入烧杯中，采用机械搅拌在200rpm的转速下连续搅拌10min；
步骤4.配合料B的制备：取适量除杂后的活性炭粉与步骤2中配置好的先驱体溶液混合配成活性炭负载先驱体配合料B。其中，活性炭粉与先驱体溶液的质量比为8：1。将配合料倒入烧杯中，采用机械搅拌在200rpm的转速下连续搅拌10min；
步骤5.坯体的制备：将搅拌后的配合料A铺入模具1mm，再铺入配合料B8mm，最后再铺入配合料A1mm。在压片机中采用2MPa的压力压制成坯体。卸载后取出压制成型的坯体；
步骤6.先驱体的裂解：将压制好的坯体放入真空管式炉中裂解生长纳米线，炉内真空度为0.09MPa，裂解过程升温速率为5℃/min，裂解温度为1200℃，保温时间为3h。然后以5℃/min降温至600℃后，随炉冷却。制备碳化硅纳米线预制体需要通入氩气作为保护气氛，制备氮化硅纳米线预制体时需要通入氮气作为保护气氛；
步骤7.活性炭的去除：将步骤6得到的含有活性炭的陶瓷纳米线泡沫放入管式炉中在空气气氛下氧化除去活性炭，升温速率为10℃/min，氧化温度为600℃，保温4h后随炉冷却。本实施例所制层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫中外层孔隙率为90.34％，中间层孔隙率为80.17％，纳米线的直径为100nm左右，纳米线的晶型为β-SiC，结构为单晶。层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的热导率为0.052W·m-1K-1。
实施例2
步骤1.活性炭的预处理：本发明采用活性炭粉作为模板。将活性炭粉在丙酮中浸泡24h后，在90℃蒸馏水中浸泡30min，去除活性炭粉中的杂质。随后将活性炭粉置于真空干燥箱干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为24h；
步骤2.先驱体溶液的制备：将聚碳硅烷与二甲苯/环己烷以1：6的质量比配制成先驱体溶液，采用磁力搅拌在200rpm的转速下连续搅拌30min。再以5wt.％的比例混入二茂铁，随后采用磁力搅拌在200r/min的转速下连续搅拌30min；
步骤3.配合料A的制备：取适量除杂后的活性炭粉与步骤2中配置好的先驱体溶液混合配成活性炭负载先驱体配合料A。其中，活性炭粉与先驱体溶液的质量比为3：1。将配合料倒入烧杯中，采用机械搅拌在200rpm的转速下连续搅拌10min；
步骤4.配合料B的制备：取适量除杂后的活性炭粉与步骤2中配置好的先驱体溶液混合配成活性炭负载先驱体配合料B。其中，活性炭粉与先驱体溶液的质量比为8：1。将配合料倒入烧杯中，采用机械搅拌在200rpm的转速下连续搅拌10min；
步骤5.坯体的制备：将搅拌后的配合料A铺入模具3mm，再铺入配合料B4mm，最后再铺入配合料A3mm。在压片机中采用5MPa的压力压制成坯体。卸载后取出压制成型的坯体；
步骤6.先驱体的裂解：将压制好的坯体放入真空管式炉中裂解生长纳米线，炉内真空度为0.09MPa，裂解过程升温速率为3℃/min，裂解温度为1200℃，保温时间为1h。然后以3℃/min降温至600℃后，随炉冷却。制备碳化硅纳米线预制体需要通入氩气作为保护气氛，制备氮化硅纳米线预制体时需要通入氮气作为保护气氛；
步骤7.活性炭的去除：将步骤6得到的含有活性炭的陶瓷纳米线泡沫放入管式炉中在空气气氛下氧化除去活性炭，升温速率为3℃/min，氧化温度为600℃，保温4h后随炉冷却。本实施例所制层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫中外层孔隙率为90.34％，中间层孔隙率为80.17％，纳米线的直径为100nm左右，纳米线的晶型为β-SiC，结构为单晶。层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的热导率为0.051W·m-1K-1。
实施例3
步骤1.活性炭的预处理：本发明采用活性炭粉作为模板。将活性炭粉在丙酮中浸泡24后，在70℃蒸馏水中浸泡1h，去除活性炭粉中的杂质。随后将活性炭粉置于真空干燥箱干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为24h；
步骤2.先驱体溶液的制备：将聚碳硅烷先驱体与环己烷以1:10的质量比配制成先驱体溶液，采用磁力搅拌在200rpm的转速下连续搅拌30min。再以5wt.％的比例混入催化剂二茂铁，随后采用磁力搅拌在200r/min的转速下连续搅拌30min；
步骤3.配合料A的制备：取适量除杂后的活性炭粉与步骤2中配置好的先驱体溶液混合配成活性炭负载先驱体配合料A。其中，活性炭粉与先驱体溶液的质量比为3：1。将配合料倒入烧杯中，采用机械搅拌在200rpm的转速下连续搅拌10min；
步骤4.配合料B的制备：取适量除杂后的活性炭粉与步骤2中配置好的先驱体溶液混合配成活性炭负载先驱体配合料B。其中，活性炭粉与先驱体溶液的质量比为8：1。将配合料倒入烧杯中，采用机械搅拌在200rpm的转速下连续搅拌10min；
步骤5.坯体的制备：将搅拌后的配合料A铺入模具2mm，再铺入配合料B6mm，最后再铺入配合料A2mm。在压片机中采用5MPa的压力压制成坯体。卸载后取出压制成型的坯体；
步骤6.先驱体的裂解：将压制好的坯体放入真空管式炉中裂解生长纳米线，炉内真空度为0.09MPa，裂解过程升温速率为3℃/min，裂解温度为1200℃，保温时间为1h。然后以3℃/min降温至600℃后，随炉冷却。制备碳化硅纳米线预制体需要通入氩气作为保护气氛，制备氮化硅纳米线预制体时需要通入氮气作为保护气氛；
步骤7.活性炭的去除：将步骤6得到的含有活性炭的陶瓷纳米线泡沫放入管式炉中在空气气氛下氧化除去活性炭，升温速率为3℃/min，氧化温度为600℃，保温4h后随炉冷却。本实施例所制层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫中外层孔隙率为90.34％，中间层孔隙率为80.17％，纳米线的直径为100nm左右，纳米线的晶型为β-SiC，结构为单晶。层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的热导率为0.049W·m-1K-1。
实施例4
步骤1.活性炭的预处理：本发明采用活性炭粉作为模板。将活性炭粉在丙酮中浸泡24后，在90℃蒸馏水中浸泡30min，去除活性炭粉中的杂质。随后将活性炭粉置于真空干燥箱干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为12h；
步骤2.先驱体溶液的制备：将聚碳硅烷先驱体与环己烷以1:6的质量比配制成先驱体溶液，采用磁力搅拌在200rpm的转速下连续搅拌30min。再以5wt.％的比例混入催化剂二茂铁，随后采用磁力搅拌在200r/min的转速下连续搅拌30min；
步骤3.配合料A的制备：取适量除杂后的活性炭粉与步骤2中配置好的先驱体溶液混合配成活性炭负载先驱体配合料A。其中，活性炭粉与先驱体溶液的质量比为3：1。将配合料倒入烧杯中，采用机械搅拌在200rpm的转速下连续搅拌10min；
步骤4.配合料B的制备：取适量除杂后的活性炭粉与步骤2中配置好的先驱体溶液混合配成活性炭负载先驱体配合料B。其中，活性炭粉与先驱体溶液的质量比为8：1。将配合料倒入烧杯中，采用机械搅拌在200rpm的转速下连续搅拌10min；
步骤5.坯体的制备：将搅拌后的配合料A铺入模具1.5mm，再铺入配合料B1.5mm，最后再铺入配合料A7mm。在压片机中采用5MPa的压力压制成坯体。卸载后取出压制成型的坯体；
步骤6.先驱体的裂解：将压制好的坯体放入真空管式炉中裂解生长纳米线，炉内真空度为0.09MPa，裂解过程升温速率为3℃/min，裂解温度为1200℃，保温时间为1h。然后以3℃/min降温至600℃后，随炉冷却。制备碳化硅纳米线预制体需要通入氩气作为保护气氛，制备氮化硅纳米线预制体时需要通入氮气作为保护气氛；
步骤7.活性炭的去除：将步骤6得到的含有活性炭的陶瓷纳米线泡沫放入管式炉中在空气气氛下氧化除去活性炭，升温速率为3℃/min，氧化温度为600℃，保温4h后随炉冷却。本实施例所制层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫中外层孔隙率为90.34％，中间层孔隙率为80.17％，纳米线的直径为100nm左右，纳米线的晶型为β-SiC，结构为单晶。层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫的热导率为0.051W·m-1K-1。

Claims (8)

1.一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫，其特征在于表层体积分数高于芯层体积分数，层间实现体积分数渐变过渡；层内由单晶纳米线构建均匀的孔隙，相互搭接形成三维网络骨架。
2.一种权利要求1所述层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫一体化制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1.活性炭的预处理：以活性炭粉作为模板，将活性炭粉在丙酮中浸泡24-48h后，在70-90℃蒸馏水中浸泡30min-1h，去除活性炭粉中的杂质；随后将活性炭粉置于真空干燥箱干燥；
步骤2.先驱体溶液的制备：将硅基陶瓷、超高温体系先驱体的有机聚合物先驱体与二甲苯/环己烷以1∶0.5～10的质量比配制成先驱体溶液，采用磁力搅拌；再以5wt.％的比例混入催化剂，随后采用磁力搅拌；
步骤3.配合料A的制备：将步骤1的活性炭粉与步骤2中配置好的先驱体溶液混合配成活性炭负载先驱体配合料A；将配合料倒入烧杯中采用机械搅拌；
所述活性炭粉与先驱体溶液的质量比为1-5∶1；
步骤4.配合料B的制备：将步骤1的活性炭粉与步骤2中配置好的先驱体溶液混合配成活性炭负载先驱体配合料B；将配合料倒入烧杯中采用机械搅拌；
所述活性炭粉与先驱体溶液的质量比为5-10∶1；
步骤5.坯体的制备：将搅拌后的配合料A和B按照设计好的层状结构按质量比依次铺入模具中，在压片机中采用1-10MPa的压力压制成预制体。卸载后取出压制成型的坯体；
步骤6.先驱体的裂解：将压制好的坯体放入真空管式炉中裂解生长纳米线，炉内真空度为0.09MPa，裂解过程升温速率为3-10℃/min，裂解温度为1200-1500℃，保温时间为1-3h；然后以3-10℃/min降温至600℃后，随炉冷却；
制备碳化硅纳米线预制体需要通入氩气作为保护气氛；
制备氮化硅纳米线预制体时需要通入氮气作为保护气氛；
步骤7.活性炭的去除：将步骤6得到的含有活性炭的层状陶瓷纳米线泡沫放入管式炉中在空气气氛下氧化除去活性炭，升温速率为3-10℃/min，氧化温度为600℃，保温4-7h后随炉冷却，至此，得到层状陶瓷纳米线泡沫。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述超高温体系先驱体的有机聚合物先驱体包括但不限于聚碳硅烷、聚硅氮烷、聚锆碳烷或聚硼锆烷一种或多种硅基或超高温基先驱体溶液。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述催化剂包括但不限于二茂铁、苯乙酸铁或二茂镍。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤1中所述活性炭粉至少采用200目粉状活性炭。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤1中的干燥温度为60-100℃，干燥时间为12-24h。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2中的磁力搅拌在200r/min的转速下连续搅拌30min。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤3和步骤4中的机械搅拌为：在200rpm的转速下连续搅拌10min。
CN202110891896.7A 2021-08-04 2021-08-04 一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫及制备方法 Pending CN113603500A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110891896.7A CN113603500A (zh) 2021-08-04 2021-08-04 一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110891896.7A CN113603500A (zh) 2021-08-04 2021-08-04 一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫及制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113603500A true CN113603500A (zh) 2021-11-05

Family

ID=78306822

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110891896.7A Pending CN113603500A (zh) 2021-08-04 2021-08-04 一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113603500A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114702328A (zh) * 2022-04-13 2022-07-05 西安交通大学 一种SiC纳米线网络增强层状多孔SiC陶瓷及其制备方法
CN115253938A (zh) * 2022-08-10 2022-11-01 航天特种材料及工艺技术研究所 一种耐高温抗辐射弹性碳化硅纳米纤维气凝胶材料及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108405862A (zh) * 2018-03-13 2018-08-17 昆明理工大学 一种梯度多孔泡沫钢材料及制备方法
CN108947554A (zh) * 2018-08-13 2018-12-07 南京航空航天大学 一种SiC纳米线增强SiC多孔陶瓷复合材料及其制备方法
CN110606747A (zh) * 2019-10-16 2019-12-24 西北工业大学 一种各向同性陶瓷纳米线预制体的制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108405862A (zh) * 2018-03-13 2018-08-17 昆明理工大学 一种梯度多孔泡沫钢材料及制备方法
CN108947554A (zh) * 2018-08-13 2018-12-07 南京航空航天大学 一种SiC纳米线增强SiC多孔陶瓷复合材料及其制备方法
CN110606747A (zh) * 2019-10-16 2019-12-24 西北工业大学 一种各向同性陶瓷纳米线预制体的制备方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114702328A (zh) * 2022-04-13 2022-07-05 西安交通大学 一种SiC纳米线网络增强层状多孔SiC陶瓷及其制备方法
CN114702328B (zh) * 2022-04-13 2023-05-02 西安交通大学 一种SiC纳米线网络增强层状多孔SiC陶瓷及其制备方法
CN115253938A (zh) * 2022-08-10 2022-11-01 航天特种材料及工艺技术研究所 一种耐高温抗辐射弹性碳化硅纳米纤维气凝胶材料及其制备方法
CN115253938B (zh) * 2022-08-10 2023-04-18 航天特种材料及工艺技术研究所 一种耐高温抗辐射弹性碳化硅纳米纤维气凝胶材料及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110606747B (zh) 一种各向同性陶瓷纳米线预制体的制备方法
Xu et al. Elastic ceramic aerogels for thermal superinsulation under extreme conditions
Zeng et al. Significantly toughened SiC foams with enhanced microwave absorption via in situ growth of Si3N4 nanowires
CN113603500A (zh) 一种层状结构非氧化物陶瓷纳米线泡沫及制备方法
CN109627006B (zh) 一种大尺寸碳化硅气凝胶及其制备方法
CN102603271B (zh) 石墨烯和氧化物陶瓷复合材料及制备方法
CN102703742B (zh) 一种基体为纳米叠层结构的金属基复合材料及其制备方法
Bernardo et al. Novel mullite synthesis based on alumina nanoparticles and a preceramic polymer
US8110285B2 (en) Self-supported film and silicon wafer obtained by sintering
CN108218467B (zh) 一种高孔隙率及低热导率多孔纳米碳化硅陶瓷的制备方法
CN112341229B (zh) 一种梯度C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法
CN106633652A (zh) 一种双连续相氧化铝/环氧树脂复合材料的制备方法
CN106498225B (zh) 碳纳米管‑氧化铝混杂增强镁铝合金复合材料的制备方法
CN113716966B (zh) 一种SiCN陶瓷气凝胶及其制备方法和应用
CN111018533A (zh) 一种多孔碳化硅基复合陶瓷材料及其制备方法和用途
WO2002081405A1 (fr) Procede de production de materiau composite sic renforce de fibres sic par presse a chaud
CN110590394A (zh) 一种大尺寸SiC纳米线气凝胶的低成本制备方法
CN106947435B (zh) 高导热纳米碳复合材料及其制备方法
CN103924172A (zh) 一种增强铝基复合材料的制备方法
Wang et al. Preparation of three-dimensional ordered macroporous SiCN ceramic using sacrificing template method
CN112592188A (zh) 一种石墨烯复合碳化硅陶瓷材料的制备方法
CN109686501B (zh) 一种石墨烯/铝复合导电材料及其制备方法
CN105016773B (zh) 反应烧结及微氧化处理制备多孔碳化硅陶瓷的方法
US11827572B2 (en) Nano-crystalline refractory metal carbides, borides or nitrides with homogeneously dispersed inclusions
CN111848196B (zh) 一种原位碳化硅纳米线增韧碳化硅陶瓷的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination