[发明专利]一种低膨胀耐高温气凝胶隔热材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种低膨胀耐高温气凝胶隔热材料，其制备原料包括气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体、硅烷偶联剂和有机结合剂；所述气凝胶粉体包括亲水性气相二氧化硅气凝胶粉体和气相二氧化铝气凝胶粉体，且所述气相二氧化硅气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为0～99％，所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为1～100％。本发明通过在二氧化硅气凝胶隔热材料中加入气相二氧化铝气凝胶粉体和低膨胀/负膨胀材料粉末，不但提高了气凝胶隔热材料的最高使用温度，而且还把气凝胶隔热材料的热膨胀系数控制在较低的水平，提高了低膨胀耐高温气凝胶隔热材料耐热冲击性，延长了其使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种隔热材料及其制备方法，尤其是一种具有低膨胀系数、较高使用温度的气凝胶隔热材料及其制备方法，属于无机材料技术领域。

背景技术

气凝胶诞生于1931年，由Steven.S.Kistler在Nature杂志上发表的《共聚扩散气凝胶与果冻》标志着气凝胶的发现。Kistler首次通过乙醇超临界干燥技术，制备出世界上第一块二氧化硅气凝胶。气凝胶是一种结构可控的轻质多孔非晶态无机纳米材料，因为具有极低的密度和极高的气孔率，是目前热导率最低的固体材料。在气凝胶当中，由于气孔的直径(小于50nm)小于空气分子平均自由程(约70nm)，而且在气凝胶当中没有空气对流，因而具有极低的气态热传导；另外，由于气凝胶本身的气孔率非常高，固体所占比例相对较低，因此固态热传导也很低，使得气凝胶总体的热导率小于0.022W/(m·K)，比静止空气的热导率0.026W/(m·K)还低。

目前，由于二氧化硅气凝胶隔热材料具有隔热性能良好，价格低廉，相对密度较低等特点，使得其在耐火隔热领域占有一席之地。但是，二氧化硅气凝胶最大的问题是使用温度较低，普遍不超过650℃。很多研究者为了提高二氧化硅气凝胶隔热材料的最高使用温度，向其中加入了二氧化铝气凝胶。主要是因为和二氧化硅气凝胶相比，二氧化铝气凝胶具有更高的使用温度，这是因为在高温下，二氧化铝气凝胶的热致收缩率要比二氧化硅气凝胶要小。并且，在高温下，二氧化硅气凝胶和二氧化铝气凝胶比较容易形成莫来石相，而莫来石具有很高的热稳定性，这无疑会进一步提高二氧化硅和二氧化铝混合气凝胶的稳定性。专利CN109095883A以氧化硅溶胶和氧化铝溶胶为原料，用超临界干燥的方法合成了氧化硅-氧化铝二元气凝胶复合材料。专利CN105967728A以二氧化铝溶胶和气相二氧化硅为原料，同样使用了超临界干燥法制备出了二氧化硅、二氧化铝复合气凝胶隔热材料，最高使用温度提高到了1200℃。

用二氧化铝气凝胶来提高二氧化硅气凝胶的方法虽然比较有效，但是由于二氧化铝气凝胶的热膨胀系数较高(8.1*10^-6/K)，二氧化铝气凝胶的加入势必会使气凝胶隔热材料的热膨胀系数大大增加，对气凝胶材料的抗热震性能带来不利的影响。在我国，由于炼钢温度一般都超过1000℃，所以钢铁厂中普遍会使用耐火温度更高的铝制耐火材料。但是铝制耐火材的热膨胀系数较高，耐热冲击性较差，而像炼钢用的转炉，会存在不断有熔化的铁水倒进倒出的情况，就是使得耐火材料不断在室温和高温下经受冲击而造成破损，所以目前每生产一吨钢材所消耗的耐火材料重量为7公斤左右，生产成本巨大。在这种情况下，如果直接把高热膨胀系数的二氧化硅-二氧化铝气凝胶隔热材料在炼钢炉的表面使用，就会使得气凝胶隔热材料因热冲击而在内部产生裂痕，最终不断扩大而使得气凝胶材料粉化进而失去隔热性能。