[发明专利]一种耐高温Al-Si-B-O陶瓷气凝胶材料及其合成方法

说明书

本发明提供了一种耐高温Al‑Si‑B‑O陶瓷气凝胶材料，是采用溶胶‑凝胶工艺将铝前驱体、硅前驱体、硼前驱体在溶剂中分散均匀，经过水解及缩聚反应后共凝胶，然后通过超临界干燥工艺合成出耐高温的Al‑Si‑B‑O陶瓷气凝胶材料。本发明通过在Al₂O₃气凝胶中引入Si、B元素，不仅能显著延缓Al₂O₃纳米粒子的烧结和相变，还可以在1500℃高温时形成铝硼硅酸盐玻璃相薄膜覆盖在气凝胶的表面，有效阻挡了气凝胶外部热量的向内部的持续传递，从而改善了Al₂O_3、Al₂O₃‑SiO₂基气凝胶的高温热稳定性和高温隔热性能，显著提高了气凝胶的使用温度，可用于空天飞行器高温隔热防护材料。

技术领域

本发明涉及一种陶瓷气凝胶材料的合成方法，尤其涉及一种耐高温Al-Si-B-O陶瓷气凝胶材料及其合成方法，可用于空天飞行器热防护系统。

背景技术

气凝胶拥有的介孔尺寸（2~50nm）能在一定程度上束缚气体分子的运动（O₂，N₂分子的平自由程约70nm），减少气体分子碰撞所产生的热传递，因此气凝胶的宏观热导率极低，是一种性能优异的超级隔热材料。气凝胶主要分为有机气凝胶和无机气凝胶，有机气凝胶在高温下会发生燃烧和碳化现象，因此在高温环境应用的主要为无机气凝胶。目前作为高温隔热材料的无机气凝胶主要为氧化硅气凝胶和氧化铝气凝胶，其使用的极限温度在800~1000℃范围，主要原因在于氧化硅气凝胶在800℃以上发生无定形态到方石英的相变，氧化铝气凝胶在1000℃以上会发生γ相到α相的转变，相变导致结构致密化，从而失去气凝胶低密度、低导热的特性，这影响了气凝胶的高温隔热性能，限制了当前气凝胶材料的使用温度。

随着空间技术的发展和载人航天工程的实施，空天飞行器热防护系统对低密度、高隔热功效的气凝胶材料提出了迫切需求，发展耐更高使用温度、高温稳定性好，隔热性能优良的陶瓷气凝胶材料是本领域技术人员亟待解决的问题。通过对氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶进行掺杂改性，可以延缓其相变温度，进一步提高其高温热稳定性及高温隔热性能，从而能一定程度提高气凝胶材料的使用温度。目前有稀土元素、碱土元素掺杂的氧化硅、氧化铝气凝胶，SiO₂-Al₂O₃复合气凝胶，Si-C-O以及Al-Si-C-O体系陶瓷气凝胶材料，不同程度的改善了气凝胶材料的高温隔热性能和使用温度。但截止目前，尚未发现关于Al-Si-B-O体系的气凝胶材料及其合成方法的文献报道。

发明内容

本发明针对现有技术中气凝胶使用温度低，高温隔热性能差的技术缺陷，提供了一种耐高温Al-Si-B-O陶瓷气凝胶材料及其合成方法。

本发明的耐高温Al-Si-B-O陶瓷气凝胶材料的组成元素为Al、Si、B、O，以及微量C，其中Al:Si:B的摩尔比为1:（0.1~1）:（0.2~1），优选：Al:Si:B的摩尔比为1:（0.3~0.8）:（0.2~0.6）。

耐高温Al-Si-B-O陶瓷气凝胶材料中，Al、Si、B分别由铝前驱体、硅前驱体、硼前驱体通过水解反应得到；O的组成含量是由各前驱体水解缩聚反应后和Al、Si、B所形成的配位体所决定；C为体系引入的有机物中未反应完全的残余，与水解缩聚的反应程度以及干燥温度、时间有关，因此C的含量不做限定，C可通过进一步的热处理去除。

本发明耐高温Al-Si-B-O陶瓷气凝胶材料，是由铝前驱体、硅前驱体、硼前驱体经过溶胶凝胶法水解后，混合均匀，凝胶及干燥工艺后形成。具体合成方法包括以下步骤：

（1）铝溶胶的制备：将铝前驱体分散在水-醇混合溶剂中进行水解，形成铝溶胶。所述的铝前驱体为仲丁醇铝、异丙醇铝、硝酸铝、氯化铝、结晶氯化铝、水合硝酸铝的任意一种。