本發明專利技術提供一種低密度耐高溫SiO2-MxOy復合氧化物氣凝膠隔熱材料的制備方法，其步驟包括：（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，經蒸餾分離后，得到部分水解的硅酯作為硅源前驅體；（2）取硅源前驅體、去離子水、有機溶劑混合均勻；（3）在混合溶液中加入納米氧化物粉體MxOy，攪拌分散均勻；（4）在混合溶液中加入氨水，形成SiO2-MxOy復合凝膠膠或纖維增強復合凝膠；（5）將上述復合凝膠在乙醇溶液中老化；（6）將老化后的復合凝膠放入高壓釜中，進行超臨界干燥，得到SiO2-MxOy復合氣凝膠材料。本發明專利技術方法簡單方便，能夠提高材料的耐高溫性能，該復合氣凝膠材料在高溫隔熱領域具有潛在的應用價值。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于無機材料領域，具體涉及ー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。
技術介紹
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氣凝膠是ー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O. 012ff/m · K。然而SiO2單組分氣凝膠材料的使用溫度不超過800°C，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 ·6Η20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°C高溫處理后，復合氣凝膠仍保持部分多孔結構。Clapsaddle以MClx ·Η20和正硅酸甲酯為前驅體，有機環氧化物為助劑，制備了一系列娃基復合氣凝膠(Journal of Non-Crystalline Solids, 2004, 350,173.),比表面積在10(T800m2/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。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供ー種低密度耐高溫SiO2-MxOy復合氧化物氣凝膠隔熱材料的制備方法，其密度在O. 02、. 5g/cm3,耐溫大于1000°C，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。實現本專利技術目的技術方案ー種低密度耐高溫SiO2-MxOy復合氣凝膠隔熱材料的制備方法，其包括如下步驟(I)將正硅酸甲酯或正硅酸こ酷、無水こ醇、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こ酯無水こ醇去離子水鹽酸或硝酸=I (I. 0 3· 2) (0. 8 2. O) (0. 005 O. 05);將上述混合溶液在80^150 °C回流8 48小吋，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(I)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(廣4) :1，有機溶劑與SiO2的摩爾比為(O. 5^20):1 ;所述有機溶劑為無水こ醇、こ腈或丙酮；(3)在步驟(2)所得的混合溶液中加入納米氧化物粉體MxOy,攪拌分散均勻，其中納米氧化物粉體MxOy與SiO2的摩爾比為(O. 05^2) : I ；所述納米氧化物粉體MxOy為Si02、A1203、ZrO2, TiO2和Cr2O3中的ー種或ー種以上 的混合物；納米氧化物粉體的粒徑為2 30nm ；(4)在步驟(3)所得混合溶液中加入氨水，攪拌均勻后，靜置，直至形成SiO2-MxOy復合凝膠；其中氨水加入量為每IOOOmL步驟(3)所得的混合溶液加入氨水f 20mL ；或者將步驟(4)的溶液在凝膠前，轉移至鋪有陶瓷纖維或預制件的模具中，凝膠后形成纖維增強復合氣凝膠；所述的陶瓷纖維或預制件為石英纖維、硅酸鋁纖維、莫來石纖維或氧化鋯纖維；(5)將步驟(4)所得上述SiO2-MxOy復合凝膠或纖維增強復合凝膠在こ醇溶液中老化24 72h，老化溫度為25 60°C ；(6)將步驟(5)老化后的SiO2-MxOy復合凝膠或纖維增強復合凝膠放入高壓釜中，以f 2°C /min速度升溫至こ醇超臨界點以上，進行超臨界干燥，保溫2h 6h后，釋放壓力，得到SiO2-MxOy復合氣凝膠材料。如上所述的ー種低密度耐高溫SiO2-MxOy復合氣凝膠隔熱材料的制備方法，其SiO2-MxOy復合氣凝膠的密度為O. 02、· 5g/cm3，耐溫高于1000°C。如上所述的ー種低密度耐高溫SiO2-MxOy復合氣凝膠隔熱材料的制備方法，其步驟(3)所述的納米氧化物粉體的粒徑為5 10nm。本專利技術的效果在于本專利技術所述的低密度耐高溫SiO2-MxOy復合氣凝膠材料的制備方法，采用部分水解的硅酸酯為硅源，氣相氧化硅、氧化鋁、氣相氧化鈦、納米氧化鋯、納米氧化鉻、納米氧化鐵等為第二相，制備SiO2-MxOy復合氣凝膠，通過控制納米氧化物粉體的分散及凝膠過程，能夠使納米粉體均勻分散在SiO2骨架中，提高SiO2-MxOy復合氣凝膠微觀結構的均勻性和耐溫性，且SiO2-MxOy復合氣凝膠的耐高溫性能明顯優于SiO2單組分氣凝膠。經老化、超臨界干燥后獲得具有均勻微觀結構和高熱穩定性的硅基復合氣凝膠材料。SiO2-Al2O3復合氣凝膠在1000°C的空氣氣氛中處理30min后，仍具有發達的多孔結構，比表面積高達550m2/g ；1200°C空氣氣氛中高溫處理30min后，比表面積達152m2/g。通過控制納米粉體的分散過程及凝膠速度，使納米粉體均勻的嵌在SiO2凝膠骨架中，。本專利技術所述的低密度SiO2-MxOy復合氧化物氣凝膠材料的制備方法，簡單方便，能夠提高材料的耐高溫性能。所制備的SiO2-MxOy復合氧化物氣凝膠材料微觀結構均勻，耐溫性能明顯高于SiO2氣凝膠材料。該復合氣凝膠材料在高溫隔熱領域具有潛在的應用價值。具體實施例方式下面結合具體實施例對本專利技術所述的低密度耐高溫SiO2-MxOy復合氣凝膠隔熱材料的制備方法作進ー步描述。實施例I(I)將200ml正硅酸こ酷、125ml無水こ醇、21ml去離子水、O. 5ml鹽酸置于燒瓶中混合均勻；其中，摩爾比為正硅酸こ酯無水こ醇去離子水鹽酸=I 2 1 :0. 01 ;將上述混合溶液在100°C回流16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) 18. 5mL娃源前驅體、6. 5mL去離子水、75mL無水こ醇,攪拌混合均勻,其中H2O與SiO2的摩爾比為2 :1，無水こ醇與SiO2的摩爾比為7. 2 1 ；(3)在步驟(2)所得的混合溶液中加入粒徑為7nm的SiO2粉體2g，攪拌分散均勻，其中納米氧本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種低密度耐高溫SiO2？MxOy復合氣凝膠隔熱材料的制備方法，其特征在于：該方法包括如下步驟：（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；（3）在步驟（2）所得的混合溶液中加入納米氧化物粉體MxOy，攪拌分散均勻，其中納米氧化物粉體MxOy與SiO2的摩爾比為（0.05~2）:1；所述納米氧化物粉體MxOy為SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2和Cr2O3中的一種或一種以上的混合物；納米氧化物粉體的粒徑為2~30nm；（4）在步驟（3）所得混合溶液中加入氨水，攪拌均勻后，靜置，直至形成SiO2？MxOy復合凝膠；其中氨水加入量為：每1000mL步驟（3）所得的混合溶液加入氨水1~20mL；或者將步驟（4）的溶液在凝膠前，轉移至鋪有陶瓷纖維或預制件的模具中，凝膠后形成纖維增強復合氣凝膠；所述的陶瓷纖維或預制件為石英纖維、硅酸鋁纖維、莫來石纖維或氧化鋯纖維；（5）將步驟（4）所得上述SiO2？MxOy復合凝膠或纖維增強復合凝膠在乙醇溶液中老化24~72h，老化溫度為25~60℃；（6）將步驟（5）老化后的SiO2？MxOy復合凝膠或纖維增強復合凝膠放入高壓釜中，以1~2℃/min速度升溫至乙醇超臨界點以上，進行超臨界干燥，保溫2h～6h后，釋放壓力，得到SiO2？MxOy復合氣凝膠材料。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：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，
類型：發明
國別省市：
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