陶瓷纤维气凝胶及其制备方法和应用

本发明属于陶瓷隔热材料制备，具体涉及一种具有优异的力学性能和隔热性能的陶瓷纤维气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

1、航天飞行器、航空发动机、核电等领域的飞跃式发展，迫切需要研发具备高温热稳定性及力学稳定性的隔热系统。陶瓷气凝胶由于其高孔隙率、大表面积、优异的热力学稳定性和低导热性成为高温隔热领域方面的研究方向热点。

2、然而，传统陶瓷气凝胶由于刚性差、脆性大和在高温下热导率高的特点，并且由高温热膨胀引起气凝胶内应力和应变，如叠加机械应力以及热冲击很可能会使陶瓷气凝胶的结构发生不可逆的坍塌。而由一维纤维构成的纤维气凝胶，可以形成纤维物理缠绕或化学键合形成的多孔结构，但纤维与纤维之间点对点的接触方式在经受长时间的循环载荷之后，依旧容易造成结构变形等严重问题，这些问题都极大的限制了其在实际应用中的发展。

3、因此，从材料的实际应用角度出发，迫切的需要一种能够耐高温，具有低热导率和优异力学性能的隔热材料。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的首要目的在于提供一种陶瓷纤维气凝胶的制备方法，通过该制备方法制得的陶瓷纤维气凝胶具有优异的力学性能和隔热性能。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供了一种陶瓷纤维气凝胶，包括以下步骤：

4、提供纺丝液，所述纺丝液中含有二氧化硅前驱体、锆盐、助纺剂和交联剂；

5、将所述纺丝液通过静电纺丝工艺形成复合纳米纤维膜；

6、将所述复合纳米纤维膜在磷酸铬铝水溶液中浸泡后，再经过叠层、定向冷冻、干燥和高温固化，制得陶瓷纤维气凝胶。

7、进一步方案，所述二氧化硅前驱体为正硅酸四乙酯或正硅酸乙酯；

8、和/或，所述锆盐为乙酸锆或硝酸锆；

9、和/或，所述助纺剂为聚氧化乙烯、聚丙烯腈或聚乙烯吡咯烷酮。

10、进一步方案，所述交联剂为甲基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷。

11、进一步方案，所述纺丝液的配制，包括以下步骤：

12、将锆盐和助纺剂溶解在酸液中，获得混合溶液一；

13、将交联剂、二氧化硅前驱体和有机溶剂混合，获得混合溶液二；

14、将混合溶液一和混合溶液二混合后，室温密封搅拌，获得纺丝液。

15、进一步方案，所述酸液为硝酸、乙酸或盐酸；

16、和/或，所述有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、苯或乙醚。

17、进一步方案，所述磷酸铬铝的制备包括以下步骤：

18、将氢氧化铝溶于磷酸水溶液中，60℃~130℃下溶解直至溶液澄清，随后向溶液中加入氧化铬，搅拌溶解后，逐滴加入甲醇，边滴加边搅拌，制得磷酸铬铝。

19、进一步方案，所述复合纳米纤维膜与磷酸铬铝水溶液的质量比为1：50；

20、所述磷酸铬铝水溶液中，磷酸铬铝的含量为1wt%~5wt%。

21、本发明进一步提供了一种陶瓷纤维气凝胶，采用如前所述的制备方法制得。

22、本发明进一步提供了如前所述的陶瓷纤维气凝胶作为隔热层的应用。

23、进一步方案，所述隔热层应用时直接固定在硬基体材料的表面，所述硬基体材料为玻璃、金属或建筑物。

24、本发明的有益效果：

25、本发明中制得的陶瓷纤维气凝胶以低热导率的sio2作为纤维基体，以结晶温度低于sio2的zro2作为晶体增强相，通过溶胶凝胶法制备纺丝液前驱体，然后利用静电纺丝技术制备出纤维膜，通过热解的方式将纤维中的有机物转化为热解碳从而制备出复合纳米纤维膜；再通过利用高温粘接剂磷酸铬铝（acp）将纤维结点之间进行固定，形成片层之间协同的层层镶嵌结构，适应压缩变形以及回弹应力，从而在最大程度上提高气凝胶的机械性能以及热稳定性。

26、本发明中制得的陶瓷纤维气凝胶能够抑制红外热辐射，具有优异的高弹性、高抗压能力和隔热性能，解决了传统气凝胶脆性大，高温环境中热导率高的问题。

27、本发明中的陶瓷纤维气凝胶可直接通过物理或其他手段直接固定在各种硬基体材料表面，如玻璃、金属、建筑物等，固定方式简单，非常方便应用。

技术特征：

1.一种陶瓷纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述陶瓷纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，所述二氧化硅前驱体为正硅酸四乙酯或正硅酸乙酯；

3.如权利要求1所述陶瓷纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，所述交联剂为甲基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷。

4.如权利要求1所述陶瓷纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，所述纺丝液的配制，包括以下步骤：

5.如权利要求4所述陶瓷纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，所述酸液为硝酸、乙酸或盐酸；

6.如权利要求1所述陶瓷纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，所述磷酸铬铝的制备包括以下步骤：

7.如权利要求1所述陶瓷纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，所述复合纳米纤维膜与磷酸铬铝水溶液的质量比为1：50；

8.一种陶瓷纤维气凝胶，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述陶瓷纤维气凝胶的制备方法制得。

9.如权利要求8所述的陶瓷纤维气凝胶作为隔热层的应用。

10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，所述隔热层应用时直接固定在硬基体材料的表面，所述硬基体材料为玻璃、金属或建筑物。

技术总结本发明公开了一种陶瓷纤维气凝胶及其制备方法和应用，其制备方法包括以下步骤：提供纺丝液，所述纺丝液中含有二氧化硅前驱体、锆盐、助纺剂和交联剂；将所述纺丝液通过静电纺丝工艺形成复合纳米纤维膜；将所述复合纳米纤维膜在磷酸铬铝水溶液中浸泡后，再经过叠层、定向冷冻、干燥和高温固化，制得陶瓷纤维气凝胶。通过该方法制备的陶瓷纤维气凝胶具有优异的高弹性、高抗压能力以及优异的耐温性能和隔热性能，解决了传统气凝胶脆性大以及高温环境中热导率高的问题，非常适用于作为隔热层应用在建筑节能、航空航天等领域。技术研发人员：王振洋,张淑东,刘翠,李年,郭威受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院技术研发日：技术公布日：2024/6/11