[發明專利]低密度耐高溫SiO2-MxOy復合氣凝膠隔熱材料的制備方法

有效

• 申請號: 201210319164.1
• 申請日: 2012-08-31
• 公開（公告）號: CN102863201A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發明（設計）人: 胡子君;李俊寧;孫陳誠;周潔潔;吳文軍;王曉艷
• 申請（專利權）人: 航天材料及工藝研究所;中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: C04B30/02
• 分類號: C04B30/02
• 代理公司: 核工業專利中心 11007
• 代理人: 莫丹

技術領域

本發明屬于無機材料領域，具體涉及一種低密度耐高溫氧化物復合氣凝膠隔熱材料的制備方法。該復合氣凝膠隔熱材料可應用于航天飛行器熱防護系統以及熱電池保護套等高溫隔熱領域。

背景技術

近年來，航天技術飛速發展，各類新型飛行器的飛行速度不斷提高，飛行時間也越來越長，導致氣動加熱異常嚴酷，飛行器表面溫度升高。為保護飛行器有效載荷及內部儀器設備安全，必須采用輕質、耐高溫的高效隔熱材料阻止熱量向飛行器內部傳遞。通常使用的隔熱材料包括隔熱瓦、陶瓷纖維氈等，但其性能已不能滿足新型高超聲速飛行器的隔熱要求，因此研制具有耐高溫、熱導率低的輕質隔熱材料勢在必行。

SiO₂氣凝膠是一類受到廣泛關注的隔熱材料，是由高度交聯的無機凝膠經特殊干燥過程制備的多孔材料，孔徑在幾納米至幾十納米之間，具有很高的比表面積。這種特殊的結構使SiO₂氣凝膠材料具有極低的熱導率，如Aspen公司研制的氣凝膠復合材料室溫最低熱導率可達0.012W/m·K。然而SiO₂單組分氣凝膠材料的使用溫度不超過800℃，為改善其耐高溫性能，在SiO₂氣凝膠中引入Al₂O₃等高溫組分形成復合氣凝膠，從而提高其使用溫度。專利CN101792299A中公布了一種纖維增強的SiO₂-Al₂O₃復合氣凝膠隔熱材料，分別配制SiO₂和Al₂O₃溶膠，然后按一定比例將兩者混合，最后將溶膠與增強纖維復合，經超臨界干燥后得到纖維增強復和氣凝膠隔熱材料。NASA格林研究中心正在探索氣凝膠材料在飛行器熱防護領域的潛在應用，以AlCl₃·6H₂O和正硅酸甲酯為前驅體制備了SiO₂-Al₂O₃復合氣凝膠，比表面積大于700m²/g；并且經1050℃高溫處理后，復合氣凝膠仍保持部分多孔結構。Clapsaddle以MCl_x·H₂O和正硅酸甲酯為前驅體，有機環氧化物為助劑，制備了一系列硅基復合氣凝膠（Journal?of?Non-Crystalline?Solids，2004，350，173.），比表面積在100~800m²/g之間。

目前，制備硅基復合氣凝膠通常使用各種金屬鹽酸鹽、硝酸鹽或醇鹽為前驅體，與硅源經水解、縮聚后形成凝膠，經老化、干燥后得到復合氣凝膠。然而，金屬鹽酸鹽、硝酸鹽或醇鹽的水解速率遠大于硅源前驅體，甚至在空氣中不能穩定存在，因此易導致溶膠不均勻，甚至在凝膠形成之前已經形成沉淀，破壞了氣凝膠的微觀結構，限制了氣凝膠材料的實際應用。因此，尋找一種簡單方便的復合氣凝膠制備方法，使之具有均勻的微觀結構，并提高其高溫穩定性，對實現復合氣凝膠在高溫隔熱材料領域的應用是十分必要的。

發明內容

本發明的目的是提供一種低密度耐高溫SiO₂-M_xO_y復合氧化物氣凝膠隔熱材料的制備方法，其密度在0.02~0.5g/cm³，耐溫大于1000℃，微觀結構均勻，能夠提高材料的耐高溫性能和隔熱性能，在高溫隔熱領域具有潛在的應用價值。

實現本發明目的技術方案：一種低密度耐高溫SiO₂-M_xO_y復合氣凝膠隔熱材料的制備方法，其包括如下步驟：

（1）將正硅酸甲酯或正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水、鹽酸或硝酸按一定摩爾比混合均勻；其中，摩爾比為正硅酸甲酯或正硅酸乙酯：無水乙醇：去離子水：鹽酸或硝酸=1：（1.0~3.2）：（0.8~2.0）：（0.005~0.05）；將上述混合溶液在80~150℃回流8～48小時，經蒸餾分離后，得到部分水解的硅酯作為硅源前驅體；

（2）取步驟（1）的硅源前驅體、去離子水、有機溶劑混合均勻；其中H₂O與SiO₂的摩爾比為（1~4）:1，有機溶劑與SiO₂的摩爾比為（0.5~20）：1；所述有機溶劑為無水乙醇、乙腈或丙酮；