[发明专利]一种超低导热系数的纳米微孔材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种超低导热系数的纳米微孔材料及其制备方法，该制备方法包括步骤：(1)将氧化铝微粉和含稀土氧化物的无机醇盐溶液按照适当比例混合，经过滤后加热浓缩，得无色透明胶体溶液；(2)将胶体溶液静置12‑30h进行陈化，然后于密闭高压釜环境下采用化学水热法进行水热反应；(3)将水热后的固体过滤取出，经脱水、干燥处理后，即得。本发明方法制备的超低导热系数的纳米微孔材料，具有良好的纳米材料基本特性和防辐射性能增加，有效导热系数减少，从而比单纯的纳米颗粒有更低的导热系数；且采用该超低导热系数的纳米微孔材料制备的超低导热系数绝热板，导热系数在高温下可以稳定在30mW/K左右，远远低于传统的纳米绝热板。

技术领域

本发明属于超级绝热材料和纳米材料领域，涉及一种超低导热系数的纳米微孔材料及其制备方法。

背景技术

超级绝热材料是一种具有很低的体积密度的材料，早在1992年，美国学者HuntAJ等在国际材料工程大会上就提出了超级绝热材料的概念。在此之后，很多学者都陆续使用了超级绝热材料的概念。一般认为超级绝热材料是指在预定的使用条件下，其导热系数低于“无对流空气”(也指静止空气)导热系数的绝热材料。

纳米孔超级绝热材料应同时具备以下几个特征：1)纳米材料是指在三维空间中至少有一处于纳米尺寸(0.1-100nm，即0.1微米)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10～100个原子紧密排列在一起的尺度；2)材料内大部分(80％以上)的气孔尺寸都应<50nm。根据分子运动及碰撞理论，气体的热量传递主要是通过高温侧的较高速度的分子与低温侧的较低速度的分子相互碰撞来进行的，由于空气中主要成分氮气和氧气的自由程均在70nm左右，纳米孔氧化铝质绝热材料中Al2O3微粒构成的微孔尺寸小于这一临界尺寸时，材料内部就消除了对流，从本质上切断了气体分子的热传导，从而可获得比“无对流空气更低的导热系数；3)材料应具有很低的体积密度；4)材料在常温和设定的使用温度下，都超低的导热系数。

导热系数是衡量绝热材料性能优劣的主要指标。根据其特点，基于无机材料制造的超级绝热材料最常见是三大类无机材料：气凝胶、微(纳米)孔材料、和真空绝热材料。其中气凝胶和微纳米孔材料是最有前途并具有广泛应用前景的材料。处于静止状态的空气(真空状态)、大部分气体、和气凝胶的导热系数都很低，但是由于它们的对流性能，以及对红外辐射的透明性，以及它们本身的材料性质，决定了它们无法单独用作绝热材料。为此，需要采用一些固体材料来限制它们的对流性能，防辐射性能，和增强材料使用性。但是，几乎所有的固体材料都具有比静止空气大得多的导热系数。因而，为了最大限度降低固体材料的热传导，作为气体屏障的固体薄壁应尽量地薄。同时，设想将固体间空隙的大小限定到纳米数量级，则气体的传导及对流将基本得到控制，这类绝热材料的导热系数将低于静止的空气。5)材料还应具有较好的耐高温性能或者耐低温性能。6)导热系数极低，微纳超级隔热材料本身的导热系数在0.11–20mW/m.k，通过复合材料成型后的超级绝热制品在常温下导热系数在20mW/m.K。气凝胶的导热系数非常低，但其结构轻盈，结构强度无法直接使用，一般通过玻纤纸或毡作为基材生产复合气凝胶材料作为超级绝热材料使用，在常温下的导热系数在20mW/m.K，而且在低温下导热系数比微孔材料好。真空绝热材料一般是将低导热系数的材料制成芯材，然后再通过抽真空处理制造成超级绝热材料，在低温情况下具有最优的性价比。但气凝胶复合材料和真空绝热材料使用上有一定的温度限制，一般不超过600oC使用温度，虽然国内外已经研制出能够使用在高温上的气凝胶复合材料，但生产复杂性和超高的生产成本无法大规模推广。微纳米孔材料比如是现在市场上存在的气相硅和纳米氧化铝是非常好能够应用到高温上的超级绝热材料，气相二氧化硅的使用温度受到限制，纳米氧化铝的制造成本太高而且纳米粉体容易团聚和组合结构不稳定，严重地影响了纳米氧化铝的大规模应用。在寻找替代纳米氧化铝粉体的材料，基于微粉或氧化铝微粉材料由于具有成本低、来源丰富、高温性能优越的优点而受到广泛关注。