一种耐高温SiCOB气凝胶隔热复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种耐高温SiCOB气凝胶隔热复合材料及其制备方法。耐高温SiCOB气凝胶隔热复合材料由耐高温无机陶瓷纤维与SiCOB气凝胶组成；耐高温无机陶瓷纤维、SiCOB气凝胶体积百分含量分别为20～70％、30‑80％。制备方法是：配制SiCOB有机前驱体溶胶、制备纤维预制件、将纤维预制件与溶胶进行混合，待混合体凝胶后，经老化、超临界干燥后得到SiCOB气凝胶复合材料前驱体，再将气凝胶隔热复合材料前驱体进行高温裂解，得到耐高温、抗氧化SiCOB气凝胶隔热复合材料。本发明复合材料导热系数低，高温隔热性能好，耐温性能及耐高温氧化性能显著提高，最高使用温度可达1500℃；制备方法低成本、无环境污染。

主权项

一种耐高温SiCOB气凝胶隔热复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，配制SiCOB前驱体溶胶：将硅源、碳源、酸性催化剂在10‑30℃下混合搅拌1～6小时，使其充分水解；再加入硼源搅拌2～8小时，使其发生缩聚反应，得到SiCOB前驱体溶胶，所述硅源、碳源、硼源、酸性催化剂的摩尔比为：1：0.1～10：0.05～2：0.0005～0.010；所述硅源是一种四烷氧基硅烷Si(OR¹)₄，其中R¹是饱和或者非饱和的包含1‑12个碳原子的基团；所述碳源是一种结构式为R²_nSi(OR³)_4‑n的有机硅氧烷，其中n＝1，2或者3，R²、R³代表一种或两种以上的不同结构饱和或者非饱和的包含1‑6个碳原子的基团；或R²、R³其中一个是氢原子；所述硼源是结构式为B(OR⁴)₃的正硼酸酯，其中R⁴是饱和或者非饱和的包含1‑12碳原子的基团；硼源或是结构式为R⁵_nB(OR⁶)_3‑n的偏硼酸酯，其中n＝1或者2，R⁵、R⁶代表一种或两种以上的不同结构饱和或者非饱和的包含1‑12个碳原子的基团；所述酸性催化剂是盐酸、硝酸、硫酸、草酸或乙酸；第二步，制备纤维预制件：设计纤维预制件表观密度范围为0.05～0.40g/cm³，即选用的无机陶瓷纤维表观密度范围为0.05～0.40g/cm³，采用质量＝密度×体积计算所需无机陶瓷纤维质量，纤维预制件的体积由模具决定；按计算所得的质量称取无机陶瓷纤维，按照模具的形状和规格对纤维进行铺排，使纤维排布方向垂直于隔热使用时的热流方向，然后用模具将铺排好的纤维夹持固定，获得纤维预制件；所述无机陶瓷纤维种类是碳纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维、莫来石纤维、碳化硅纤维中的一种或者两种以上组合；第三步，制备凝胶/纤维预制件混合体：将第二步得到的纤维预制件放置在密封的浸渍罐中，抽真空，在真空状态下浸渍SiCOB前驱体溶胶，缓慢加入SiCOB前驱体溶胶，待SiCOB前驱体溶胶完全浸入纤维预制件，打开阀门使得容器内的压力变为常压，在10‑30℃下静置2～30小时后，纤维预制件中的SiCOB前驱体溶胶变成凝胶，得到凝胶/纤维预制件混合体；第四步，凝胶/纤维预制件混合体老化：将凝胶/纤维预制件混合体进行密封，室温静置，达到老化的目的，老化时间为0.5～7天；第五步，超临界干燥处理凝胶/纤维预制件混合体：将第四步得的凝胶/纤维预制件混合体进行超临界流体干燥处理，其中超临界流体干燥介质为乙醇、丙醇或异丙醇，将凝胶/纤维预制件混合体放入超临界流体干燥设备中，预充氮气，再加热至240～260℃，保温一段时间，再缓慢释放压力，最后以N₂冲扫，得到SiCOB有机前驱体气凝胶复合材料；第六步，高温裂解SiCOB有机前驱体气凝胶复合材料：将SiCOB有机前驱体气凝胶复合材料放进裂解炉中，充入流动的惰性气体，在惰性气氛保护下，升温至裂解温度，保温一段时间，使其裂解发生断键重排反应，最终生成具有Si‑C‑O、Si‑O‑B无定形网络结构和游离碳结构的SiCOB气凝胶隔热复合材料，其中耐高温无机陶瓷纤维的体积百分含量占耐高温SiCOB气凝胶隔热复合材料20‑70％，SiCOB气凝胶的体积百分含量占耐高温SiCOB气凝胶隔热复合材料30‑80％。