[发明专利]一种耐高温气凝胶材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种耐高温气凝胶材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)溶胶制备；(2)纳米晶组装过程，制得以氧化物纳米晶为骨架的气凝胶湿凝胶；(3)气凝胶材料制备；和(4)热处理过程，制得耐高温气凝胶材料。本发明采用纳米晶组装技术与热处理相结合，制备出了具有微观核壳结构的耐高温气凝胶材料，其核壳结构在高温下形成网络框架抑制了氧化物纳米晶体的生长，有效克服了氧化物气凝胶在高温使用过程中结构坍塌导致的收缩问题。本发明制备的气凝胶材料具有良好的耐高温特性，耐热温度为1000℃以上，甚至能耐受1300℃以上的高温。

技术领域

本发明涉及气凝胶制备技术领域，尤其涉及一种耐高温气凝胶材料的制备方法。

背景技术

气凝胶材料由于具有高的孔隙率、纤细的纳米多孔网络结构，能够有效抑制热传导和热对流，被认为是目前隔热性能最好的固体材料，已经广泛的应用于多种航天器、飞行器热防护之中。目前国内外对二氧化硅气凝胶隔热材料的研究较多，其在中温隔热领域是一种非常有效的材料，但是氧化硅气凝胶高温稳定性差，长期使用温度不高于650℃，因而难以在更高使用温度环境下应用。因此，寻求耐高温的气凝胶隔热复合材料是国际上隔热领域研究的主要方向。在众多的气凝胶中，氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶具有优异的耐高温和隔热性能是制备耐高温隔热材料的理想材料。

目前主要采用溶胶-凝胶法制备气凝胶材料，制备得到的气凝胶材料为非晶相或低温稳定晶相纳米颗粒构成的三维网络结构。高温下气凝胶纳米颗粒发生晶型转变，另外由于表面能高，高温下易发生烧结，导致纳米颗粒长大、孔洞减少，从而使气凝胶的比表面积急剧的下降，使其隔热性能大大减弱。另外，虽然氧化铝气凝胶虽然具有较好的耐高温性能，但在温度升高的情况下会产生一系列的相变，这时氧化铝的比表面积会相应减小，尤其在温度不低于1000℃时，表面积剧减，表明高温下相变是影响比表面积的一个重要因素。

Gen Hayase等人在文章《Ultralow-Density,Transparent,SuperamphiphobicBoehmite Nanofiber Aerogels and Their Alumina Derivatives》中采用勃姆石纳米纤维溶胶进行凝胶，制备了勃姆石纳米纤维气凝胶，该气凝胶具有超高的比表面积，但热处理过程中发生一系列的相变，产生严重的体积收缩，1300℃热处理后比表面积仅为4m²/g。Alphonse等人在文章《Thermal stabilization of alumina modified by lanthanum》中将嵌段共聚物与硝酸镧添加到勃姆石水溶胶中，制备了氧化镧掺杂勃姆石气凝胶。所制备的材料在1200℃热处理后比表面积仍能达到71m²/g左右，而未加氧化镧改性的纯氧化铝干凝胶比表面积仅为5m²/g左右。虽然加入氧化镧一定程度的改善了其耐温性，但材料仍然发生了严重的收缩。专利CN201310276044.2《一种耐高温氧化铝气凝胶材料的制备方法》中采用原位生成水法制备氧化铝溶胶，在超临界干燥过程中引入硅源，并在高温处理后采用六甲基二硅胺烷气氛中处理，使氧化硅包覆氧化铝颗粒，抑制氧化铝晶体的增长，1200℃处理2h后线收缩率为5％。但该方法在超临界干燥过程选用乙醇作为介质、且该过程需要升温至300℃，存在很多安全隐患，且该方法没有考虑材料在1200℃以上的耐温性。对于氧化铝耐温性的提高，研究者认为掺杂其他氧化物是有效的方法，但其仅是一定程度改善了晶型转变和抑制烧结的作用，目前，通过掺杂其他氧化物的方法制备的气凝胶仍然存在耐温性不足的问题。

随着科技的发展，各领域对隔热材料的耐热性和隔热性能提出了更高的要求，急需解决耐高温气凝胶材料的高温烧结问题。

发明内容

为了提高现有技术中气凝胶材料的耐高温性，本发明提供了一种制备工艺简单、材料的耐高温性能显著提高、具有核壳结构的多孔网络耐高温气凝胶材料的制备方法。

本发明提供了一种耐高温气凝胶材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：