[发明专利]具有介孔结构的耐高温氧化锆复合隔热材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有介孔结构的耐高温氧化锆复合隔热材料及其制备方法。本发明首先将高温煅烧的亚微米氧化物晶体纤维分散在水溶液中，抽真空加压和干燥获得纤维预制体；然后配制含有有机聚锆前驱体的醇溶液，加入碱性催化剂搅拌均匀；再在上述溶液中浸入干燥好的预制体，升温至70‑90℃固化获得复合材料湿坯，然后浸泡、干燥获得最终含有介孔结构的ZrO₂复合隔热材料。本发明利用碱催化剂减缓锆前驱体的水解‑缩合反应活性，获得含有大量介孔结构的块状ZrO₂结构。本发明使用直径为亚微米级的耐高温晶体纤维作为复合成分，纤维与介孔ZrO₂基体的界面应力低，结合紧密，当ZrO₂发生烧结时，纤维增强体更有效的抑制烧结收缩。

技术领域

本发明涉及一种氧化锆复合材料及其制备方法，属于高温隔热材料制备方法技术领域。

背景技术

耐高温隔热材料是指可在高温环境下有效阻隔热流传递的固态介质，是航空航天、武器装备等国防建设的关键战略性材料，也广泛应用于各种民用热管理系统，如新能源、轨道交通、热工窑炉等。热流传递依赖热传导、热对流和热辐射三种能量传递方式，他们主要实现途径分别为固态介质的声子热振动、空气分子热运动、红外波段电磁波。

氧化锆(ZrO₂)是一种熔点(2715℃)极高的陶瓷材料，且在金属氧化物中热传导能力最低，对红外波段的电磁波也具有强截止能力，因此是一类优异的耐高温隔热材料。通过多种方法可以制备低密度、高孔隙率的多孔ZrO₂材料，多孔结构减少了固态热传导，从而进一步提高了ZrO₂材料的隔热性能。依据克努森效应(Knudsen effect)，当孔直径小于空气分子平均自由程(～70nm)时，空气热传导和热对流将得到极大抑制。介孔一般指孔径为2-50nm的孔结构，由于其孔径小于空气分子平均自由程，因此具有介孔结构的ZrO₂材料理论上具有更优异的隔热性能。CN200810031870.X公开了一种介孔氧化锆的制备方法，采用表面活性剂为模板，通过锆前驱体水解-缩合反应，结合微观自组装过程获得介孔ZrO₂材料。CN102774886A公开了一种介孔氧化锆纳米材料及其制备方法，利用非离子表面活性剂结合有机高分子为模板，通过蒸发诱导自组装制备介孔ZrO₂材料；CN201110423329.5公开了介孔氧化锆的一种制备方法，利用锆前驱体直接在碱性条件发生沉淀反应制备介孔ZrO₂材料。然而上述方法制备得到介孔ZrO₂材料主要是粉体，对于隔热材料而言，块状ZrO₂材料更容易隔绝热流传递。

多孔隔热材料在高温下容易发生收缩，难以维持原有外形尺寸，引起隔热结构失效。究其原因是多孔骨架在高温下发生烧结，引起孔结构闭合，宏观上则表现为外形尺寸收缩。当孔径尺寸小到介孔时，高温烧结现象更加明显，材料的高温稳定性更难维持。CN201410272950.X公开了一种SiO₂包裹的核壳结构催化剂的制备方法，采用在Ni/ZrO₂纳米颗粒表面包覆SiO₂壳层的制备方法，SiO₂壳层可有效防止Ni/ZrO₂纳米颗粒烧结。CN201410353956.X公开了一种含有SiO₂掺杂的ZrO₂纤维的制备方法，采用在ZrO₂纤维材料中掺入SiO₂的制备方法，SiO₂掺杂可抑制ZrO₂晶粒的长大，提高掺杂ZrO₂纤维的耐高温性能。这些方法一般是基于表面化学反应或者溶胶-共凝胶化学掺杂，存在化学反应过程不易控制，耐高温改性效果有限的问题。

因此，合成具有介孔结构的块状ZrO₂材料，并且有效抑制其在高温环境下烧结收缩，从而得到高性能、耐高温ZrO₂复合隔热材料仍然是本领域亟待解决的重要技术问题。

发明内容