[發(fā)明專利]一種改性氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010294770.3
• 申請日: 2010-09-28
• 公開（公告）號: CN101955350A
• 公開（公告）日: 2011-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 艾素芬;鄒軍鋒;張昊;張繼承;詹萬初
• 申請（專利權(quán)）人: 航天特種材料及工藝技術(shù)研究所
• 主分類號: C04B30/02
• 分類號: C04B30/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及氣凝膠復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的保溫隔熱材料密度高，質(zhì)量大，極大地限制了在飛行器上的使用。與傳統(tǒng)絕熱材料相比，納米多孔氣凝膠絕熱材料以更輕的質(zhì)量、更小的體積達到等效的絕熱效果，而受到各國宇航領(lǐng)域材料研究者的青睞。氣凝膠具有獨特的三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(骨架2～5nm)，高比表面積(500～1200m²/g)，納米尺寸的孔(約20nm)，孔洞率高達95％以上，能夠有效抑制固態(tài)熱傳導(dǎo)和氣體對流傳熱，是目前熱導(dǎo)率最低的固態(tài)材料(常溫為0.015W/m·K)，因此在國際上也被稱為超級絕熱材料。但是常規(guī)的氧化硅氣凝膠作為絕熱材料時，其高溫遮擋紅外輻射能力差而導(dǎo)致隔熱效果差，耐溫較低，長期使用溫度不高于650℃。另外，常規(guī)的氧化硅氣凝膠強度差，納米級孔隙結(jié)構(gòu)在外部壓力下很容易被破壞，難以形成具有一定面積或體積的型材，這是限制其在航空、航天飛行器的推廣應(yīng)用另一個原因。

長期以來，人們對本身具有更高耐溫特性的氧化鋁材料進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)這類材料的氣凝膠在高溫下同樣具有優(yōu)異的保溫隔熱特性。如：氧化鋁氣凝膠除了密度低，比表面積大，而且高溫下的熱導(dǎo)率也能夠保持著很低(30℃、1大氣壓時熱導(dǎo)率僅為0.029W/m·K；800℃、1大氣壓時熱導(dǎo)率僅為0.098W/m·K)，但氧化鋁氣凝膠存在高溫下發(fā)生晶形轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌，高溫下結(jié)構(gòu)容易收縮而導(dǎo)致其耐溫性有限。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明采用通過增加第二相硅來實現(xiàn)可控相的轉(zhuǎn)變，使轉(zhuǎn)變相穩(wěn)定下來。在更優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明還采用的硅相為硅溶膠的水體系，其中主要通過硅溶膠中的水作為鋁溶膠的水解反應(yīng)物，讓硅溶膠參與鋁溶膠價鍵形成過程，得到Al-O-Si鍵，凝膠干燥后即得到改性氧化鋁氣凝膠(本文有時稱為硅鋁復(fù)合氣凝膠)。硅溶膠水溶液體系的溶膠顆粒較大，通常為20nm～30nm，遠大于硅醇鹽所形成的1nm～10nm溶膠顆粒。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，溶膠顆粒大小決定了氣凝膠高溫下的顆粒聚集速度和骨架結(jié)構(gòu)粗細，顆粒越大，表面能越小，顆粒之間聚集速度越慢，高溫結(jié)構(gòu)越趨于穩(wěn)定，同時顆粒大的膠體粒子組成具有較粗骨架的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，高溫受熱后不易坍塌，因此通過硅鋁復(fù)合氣凝膠提高氧化鋁氣凝膠的耐溫性。另外，本發(fā)明將采用無機纖維材料來增強本發(fā)明方法制得的鬼鋁氣凝膠的強度，以改善所述氣凝膠的力學(xué)性能，從而制備出耐高溫的纖維增強型硅鋁氣凝膠復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的一個或多個甚至是全部上述問題，尤其是單一的純氧化鋁氣凝膠由于高溫下晶形轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的高溫結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定因而影響其高溫隔熱性能的問題，并且利用硅溶膠水溶液體系的溶膠顆粒較大的特定，進一步解決了改善了硅鋁氣凝膠復(fù)合材料的高溫穩(wěn)定性。本發(fā)明通過如下方案來解決上述問題：

1、一種硅鋁氣凝膠復(fù)合材料，其中，所述硅鋁氣凝膠復(fù)合材料包含(1)硅鋁復(fù)合氣凝膠；和(2)無機纖維材料；其中所述硅鋁復(fù)合氣凝膠是利用硅溶膠水溶液來制得。

2、根據(jù)技術(shù)方案1所述的硅鋁氣凝膠復(fù)合材料，其中，所述硅溶膠水溶液中的溶膠顆粒直徑為10nm～20nm。

3、根據(jù)技術(shù)方案1或2所述的硅鋁氣凝膠復(fù)合材料，其中，所述硅溶膠水溶液為低鈉型硅溶膠水溶液。

4、根據(jù)技術(shù)方案1～3中任一項所述的硅鋁氣凝膠復(fù)合材料，其中，所述硅溶膠水溶液中的SiO₂在水體系中的質(zhì)量比例為1％～25％。

5、根據(jù)技術(shù)方案1～4中任一項所述的硅鋁氣凝膠復(fù)合材料，其中，所述硅鋁復(fù)合氣凝膠中的SiO₂的比例以所述硅鋁復(fù)合氣凝膠的摩爾計為0.01％～20％。

6、根據(jù)技術(shù)方案1～5中任一項所述的硅鋁氣凝膠復(fù)合材料，其中，所述無機纖維材料為選自由石英纖維、高硅氧纖維、硅酸鋁纖維、玻璃纖維、氧化鋁纖維、氧化鋯纖維、氮化硼纖維、玄武巖纖維和莫來石纖維組成的組中的一種或者兩種以上的組合；優(yōu)選的是，所述無機纖維材料的形式為選自由纖維氈、纖維棉、纖維毯、纖維板、纖維折疊塊、纖維預(yù)制件和預(yù)制件復(fù)合體組成的組中的一種或兩種以上的組合。

7、如技術(shù)方案1～6中任一項所述的硅鋁氣凝膠復(fù)合材料，其中，所述無機纖維材料的體積密度為0.01g/cm³～0.90g/cm³，單根纖維直徑為0.1μm～10μm。

8、一種制備硅鋁氣凝膠復(fù)合材料的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

(1)鋁溶膠預(yù)制液的制備：將鋁鹽、螯合劑、鋁溶膠用溶劑混合均勻，制得鋁溶膠預(yù)制液；