[发明专利]陶瓷气凝胶及通过凝胶注模成型制备陶瓷气凝胶的方法

说明书

技术领域

本发明属于多孔材料领域，具体涉及陶瓷气凝胶及其制备方法。

背景技术

多孔材料由于其具有质量轻、比表面积大、导热系数小等特点，近年来在 世界范围内掀起了广泛的研究热潮。研究表明，在不改变结构状态的情况下， 多孔材料的孔隙率越大、孔径越小，其隔热性能越优。

多孔材料包括气凝胶、多孔陶瓷、多孔金属等。气凝胶材料具有极高的孔 隙率(80％以上)，并且其孔径尺寸极小，大多数均在纳米级范围之内。因为 气凝胶上述特点，因此隔热性能优异，甚至被称之为超级绝热材料。目前，气 凝胶主要采用溶胶-凝胶工艺制备，其方法是在低温下通过水解反应形成的无 机微粒陈化放置，使粒子相互搭接成键形成网络骨架结构，反应生成的水保持 在凝胶网络的孔内，此为含有溶剂的湿凝胶。气凝胶由湿凝胶干燥而得，干燥 后得到的气凝胶强度和韧性等力学性能一般较差，在一定温度下进行热处理可 以较好地改善气凝胶的力学性能。但是热处理温度一般不超过500℃，如果热 处理温度过高，纳米级孔洞将会发生坍塌而导致气凝胶完全致密化。因此造成 气凝胶的使用温度不高，即使经过热处理，它的使用温度也很难超过1000℃， 而且气凝胶类产品力学性能不佳，在外力作用下气孔易坍塌破碎。

陶瓷材料具有耐高温、耐化学侵蚀、强度高等特性。凝胶注模成型制得 的陶瓷制品具有坯体强度高、均匀、近净尺寸等优点。凝胶注模成型技术发展 的最初是用于制备致密陶瓷，因此体系内的固相含量应尽可能的高。随着科学 的不断发展，近年来，出现了使用凝胶注模成型制备多孔陶瓷的报道，归结起 来，大体可以分为两类。一种是添加发泡剂制备多孔陶瓷，制品具有较高的孔 隙率，但孔径较大，降低了隔热性能。另一种是添加造孔剂原位占位，通过 热处理去除造孔剂，得到多孔陶瓷，这种方式可以得到微米级的较小孔径多孔 陶瓷，例如当使用石墨或淀粉为造孔剂时，可以制得孔径在10～20μm左右的 多孔材料，但是造孔剂多为有机物质，其排除机理为受热氧化或分解排除体外， 形成孔洞，凝胶注模技术本身需要使用一定的有机物质成型，若造孔剂添加量 过大，就会造成在热处理过程中，大量的有机物分解放出热量和气体，冲击骨 架结构，对制件造成损伤，因此造孔剂的添加量不能过高，且热解升温过程需 要仔细控制。这种方法制得的多孔陶瓷孔隙率不高，通常低于50％，降低了 隔热性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有气凝胶在外力作用下气孔易坍塌破损、 耐热温度低，及现有凝胶注模成型法制得的多孔材料隔热性能差的问题；而 提供了一种陶瓷气凝胶及通过凝胶注模成型制备陶瓷气凝胶的方法。

本发明中陶瓷气凝胶由陶瓷颗粒相互搭接形成三维骨架结构，气孔率为 50％～90％(体积)，孔径为微米级，最可几孔径在3μm以下。

本发明中通过凝胶注模成型制备陶瓷气凝胶的方法，它是采用低固相含量 的浆料，在不使用任何发泡剂和造孔剂的情况下制备多孔材料。首先将有机单 体和交联剂溶于溶剂，再加入陶瓷粉体和分散剂，调节pH值，混匀后得到悬 浮液，然后向悬浮液中加入引发剂后搅拌均匀，在浇注模具型腔中进行交联固 化，之后经过干燥、排胶、烧结制得陶瓷气凝胶；具体步骤如下：一、在 室温下，将有机单体和交联剂溶于溶剂中，得到混合液，其中有机单体与交联 剂的质量比为8～32∶1，每毫升溶剂中溶有0.15g～0.30g有机单体；二、向步 骤一的混合液中加入陶瓷粉体与分散剂，调节pH值至3～12，混匀，得到悬浮 液，其中陶瓷粉体的加入量是悬浮液总体积的5％～50％，分散剂与陶瓷粉体的 质量比为0.5～5∶100；三、向悬浮液中加入引发剂，搅拌均匀，其中引发剂的 用量是悬浮体总重量的1％～10％；四、将经步骤三处理的悬浮液浇注到模具型 腔中，然后升温至40℃～100℃，进行交联固化20min～60min，自然冷却至室 温后脱模，在40℃～220℃条件下干燥5h～50h，得到陶瓷素坯；五、将陶瓷素 坯放入排胶炉内，加热至200℃～700℃，保温排胶5～150h；六、将排胶后的制 品放入烧结炉内，在烧结气氛、烧结温度为1000℃～3000℃的条件下烧结 2h～7h，然后随炉冷却至室温；即得到陶瓷气凝胶；所述的溶剂为室温下表面 张力低于71.81mN/m、促使有机单体聚合形成三维凝胶网络的、不含有活泼 氢或氯(即不易发生自由基链转移反应)的溶剂。