[发明专利]一种耐高温透明二氧化硅气凝胶材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种耐高温透明二氧化硅气凝胶材料及其制备方法和应用。所述方法包括如下步骤：(1)制备透明二氧化硅气凝胶；(2)通过高温考核的方式确定步骤(1)制备的透明二氧化硅气凝胶的收缩率；(3)对步骤(1)制备的透明二氧化硅气凝胶进行压缩形变，制得耐高温透明二氧化硅气凝胶材料。本发明首次独创性解决了透明二氧化硅气凝胶耐温性较差的重大难题，将透明二氧化硅气凝胶的耐温极限从600℃大幅提高到了1100℃，本发明制得的耐高温透明二氧化硅气凝胶材料显著的耐高温、高透明、高隔热、超轻质特性，将在高温光学窗口材料领域具有极其重大的商业价值。

技术领域

本发明属于纳米多孔材料技术领域，尤其涉及一种耐高温透明二氧化硅气凝胶材料及其制备方法和应用。

背景技术

透明材料由于具有良好的透光性能，是一类有较大发展前景的光学窗口材料(如导弹整流罩、透明装甲、精密仪器仪表的壳体、高档手表、棱镜、各种防护目镜片、高温高压设备的观察窗口以及挡风玻璃等)，在国防军事、精密电子、能源、民用等诸多领域具有非常广泛的应用。二氧化硅气凝胶是由二氧化硅纳米颗粒通过三维堆积而成的纳米多孔结构材料，具有低密度、高孔隙率、高比表面积等特点以及随之而来的低热导率、低介电常数和低声传播速率等优异性能。特别地，通过控制组成二氧化硅气凝胶的纳米级颗粒和纳米孔洞小而均匀的情况下，根据其满足的瑞利散射关系，气凝胶内部将产生很少的散射，其对可见光具有良好的透光率，表现出高度透明性。这种透明二氧化硅气凝胶材料由于具有优异的光学透明性、高隔热性能、轻质特性，已经在建筑物玻璃、太阳能集热器、高功率激光系统光学元件和显示器件、透明电极等应用领域显示出极大的经济和商业价值。

然而，在某些极端高温条件下(1000℃)的应用中，例如高温设备的观察窗口、高速运行飞行器的瞄准器，对透明材料的耐温性具有非常高的要求。一般而言，二氧化硅气凝胶的耐温性不超过700度，通过提高纳米颗粒的尺寸或者复合耐高温增强体可以大幅提高二氧化硅气凝胶材料的耐温性，但是这些措施将不可避免导致二氧化硅气凝胶失去宝贵的透明光学特性。当前，所报道的透明二氧化硅气凝胶的长时极限耐温性在600℃左右，温度进一步升高，颗粒尺寸较小的二氧化硅纳米颗粒由于较大的表面能，将会发生烧结作用，从微观结构上看将导致纳米颗粒变大、孔隙变小、比表面积变小，从宏观上看就是气凝胶的尺寸将发生较大的收缩(1100℃下考核30min～2h，线收缩率为35％～55％)，并导致产生较大的裂纹，与此同时材料的透明性和隔热性能将大幅下降。目前还没有任何公开报道的文献和专利能解决透明气凝胶的耐温性较差的难题，这是一个人们一直渴望解决但始终无法解决的巨大的国际性前沿技术难题。

因此，另辟蹊径提高透明二氧化硅气凝胶的耐温性，解决二氧化硅气凝胶材料的耐温性和透明性不可兼得的问题，将对于透明二氧化硅气凝胶材料在高温窗口领域的应用起着至关重要的作用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种耐高温透明二氧化硅气凝胶材料及其制备方法和应用。本发明制备的耐高温透明二氧化硅气凝胶材料，密度为0.09～0.42g/cm³，可见光透明度最高为85.4％，导热系数最低为0.015W/(m·K)，耐受温度最高可至1100℃；本发明首次独创性地解决了透明二氧化硅气凝胶耐温性较差的重大难题，将透明二氧化硅气凝胶的耐温极限从600℃大幅提高到了1100℃，本发明制备的耐高温透明二氧化硅气凝胶材料显著的耐高温、高透明、高隔热、超轻质特性，将在高温光学窗口材料领域具有极其重大的商业价值。

本发明在第一方面提供了一种耐高温透明二氧化硅气凝胶材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)制备透明二氧化硅气凝胶；

(2)通过高温考核的方式确定步骤(1)制备的透明二氧化硅气凝胶的收缩率；

(3)对步骤(1)制备的透明二氧化硅气凝胶进行压缩形变，制得耐高温透明二氧化硅气凝胶材料。

优选地，步骤(1)制备透明二氧化硅气凝胶包括如下子步骤：