一种自生长纳米线增强碳化硅气凝胶材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及气凝胶材料技术领域，特别涉及自生长纳米线增强碳化硅气凝胶材料及其制备方法。

背景技术

气凝胶起源于上世纪三十年代，经过九十多年的发展，已经逐步实现商业化。气凝胶中的连续三维网络结构使其具有低密度、高比表面积、高孔隙率、低热导等特性，在节能储能、隔热保温、催化过滤等诸多领域有着重要作用。碳化硅气凝胶由于具有低密度，优异的高温抗氧化，化学稳定性等优势，适用于多种高温和高腐蚀环境，尤其在高温隔热领域有着广阔的潜在应用。

目前，碳化硅气凝胶的制备通常使用溶胶凝胶法制备湿凝胶，然后经过干燥和高温热处理后转化为碳化硅气凝胶。例如，中国发明专利CN 102897764 B公开了一种块状碳化硅气凝胶材料及其制备方法，该方法采用一锅法，经过溶胶-凝胶，老化和常压干燥制备RF-SiO

上述制备方法得到的碳化硅气凝胶普遍存在以下三个问题：第一，制得的碳化硅气凝胶内部存在纳米孔隙的同时还不可避免地引入了大量孔径在微米尺度的大孔。这些大孔的存在一方面使材料的强度大打折扣，严重影响了其实际应用，另一方面因为孔径远大于气体分子的平均自由程，从而影响材料的隔热性能。第二，使用上述方法制得的碳化硅气凝胶是由零维碳化硅纳米颗粒堆积而成，颗粒之间的颈状联结处容易发生应力集中，材料的韧性差。第三，制备过程通常涉及水热反应釜、贵金属催化剂、超临界干燥，工艺繁琐。

发明内容：

解决的技术问题：本申请主要是提出一种自生长纳米线增强碳化硅气凝胶材料及其制备方法，以克服现有技术中碳化硅气凝胶强度低、脆性大且制备工艺复杂等问题，缓解碳化硅气凝胶的隔热性能与力学性能之间的矛盾。

技术方案：

一种自生长纳米线增强碳化硅气凝胶材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

第一步：将乙醇、对苯二甲醛、硅氧烷、氨基硅氧烷、去离子水和酸混合10-60min，混合均匀得到溶胶；

第二步：第一步制得的溶胶加热制得凝胶A；

第三步：将第二步中制得的凝胶A进行3-8次有机溶剂置换后进行干燥得到气凝胶A，有机溶剂的用量为凝胶A体积的3-10倍；

第四步：将第三步制得的气凝胶A浸渍于第一步制得的溶胶中得到混合物，溶胶与气凝胶A的体积比为1:1-3；

第五步：将第四步制得的混合物加热得到凝胶B；

第六步：将第五步制得的凝胶B进行3-8次有机溶剂置换后进行干燥得到气凝胶B，有机溶剂的用量为凝胶B体积的3-10倍；

第七步：使用气凝胶B重复第四步至第六步1-5次；

第八步：对第七步得到的气凝胶进行高温热处理得到自生长纳米线增强的碳化硅气凝胶。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第一步中乙醇、对苯二甲醛、硅氧烷、氨基硅氧烷、去离子水、酸的摩尔比为1:(0.005～0.05):(0.01～0.1):(0.01～0.1):(0.5～0.1):(0.01～0.1)。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第一步中硅氧烷为甲基三甲氧基硅烷；氨基硅氧烷为3-氨丙基三乙氧基硅烷和/或3-氨丙基三甲氧基硅烷；酸为乙酸和/或盐酸。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第二步和第五步中加热条件为40～70℃保持6～24小时。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第三步和第六步中有机溶剂置换的温度为40～70℃，置换时间为8-24h，有机溶剂为乙醇、甲醇、正己烷、异丙醇中的一种或几种。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第三步和第六步中干燥工艺为在40～80℃下常压干燥36～48小时或在60～80℃下真空干燥12～24小时。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第四步中的浸渍过程在真空环境下进行。作为本发明的一种优选技术方案：所述第八步中的高温热处理温度为1400～1700℃，保温时间为2～6小时，升温速率为3～5℃/min，自然冷却后得到自生长纳米线增强的碳化硅气凝胶。

本申请还公开了一种自生长纳米线增强碳化硅气凝胶材料，所述自生长纳米线增强碳化硅气凝胶材料为蓝色或灰绿色块体，密度≤0.2g/cm

有益效果：本申请所述自生长纳米线增强碳化硅气凝胶材料及其制备方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、通过循环浸渍工艺大幅减少了碳化硅气凝胶中的大孔，增加其强度的同时几乎没有影响其隔热性能。

2、通过纳米线对碳化硅气凝胶进行增强，增强了陶瓷气凝胶的韧性。

3、采用一步溶胶凝胶法，真空/常压干燥和一步热处理法，制备工艺简单。

附图说明

图1为本申请实施例一所制备的自生长纳米线增强碳化硅气凝胶材料的扫描电子显微镜图片；

图2为本申请实施例二所制备的自生长纳米线增强碳化硅气凝胶材料的扫描电子显微镜图片；

图3为本申请实施例三所制备的自生长纳米线增强碳化硅气凝胶材料的照片。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明进行进一步详细说明。需要指出的是，举例的目的是为了更清晰地阐明本发明的实际应用过程，并不是限定本发明的保护范围。

实施例1：

一种自生长纳米线增强碳化硅气凝胶材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

第一步：将15ml乙醇、4mmol对苯二甲醛、5mmol甲基三甲氧基硅烷、4mmol

3-氨丙基三乙氧基硅烷、3ml去离子水和0.3ml乙酸使用磁力搅拌器搅拌20分钟得到溶胶；

第二步：第一步制得的溶胶置于50℃环境中经过12小时凝胶及老化后制得凝胶A；

第三步：将第二步中制得的凝胶A在50℃下进行4次正己烷置换，每次12小时，正己烷的用量为80ml，置换后在60℃环境下干燥48小时得到气凝胶A；

第四步：将第三步制得的气凝胶A浸渍于20ml乙醇、4mmol对苯二甲醛、5mmol甲基三甲氧基硅烷、4mmol 3-氨丙基三乙氧基硅烷、3ml去离子水和0.3ml乙酸的混合溶液中，得到混合物；

第五步：将第四步制得的混合物置于50℃环境中12小时得到凝胶B；

第六步：将第五步制得的凝胶B在50℃下进行4次正己烷置换，每次12小时，正己烷的用量为80ml，置换后在60℃环境下干燥48小时得到气凝胶B；

第七步：对第六步得到的气凝胶B以升温速率为2℃/min下升温至1500℃，在1500℃环境下热处理3小时后，自然冷却得到自生长纳米线增强的碳化硅气凝胶，密度为0.14g/cm

实施例2：

一种自生长纳米线增强碳化硅气凝胶材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

第一步：将20ml乙醇、4mmol对苯二甲醛、8mmol甲基三甲氧基硅烷、4mmol

3-氨丙基三乙氧基硅烷、4ml去离子水和0.4ml乙酸混合均匀，在超声波清洗机中搅拌15分钟，使充分混合反应得到溶胶；

第二步：第一步制得的溶胶置于65℃环境中经过12小时凝胶及老化后制得凝胶A；

第三步：将第二步中制得的凝胶A在65℃下进行4次乙醇置换，每次12小时，乙醇的用量为100ml，置换后在80℃环境下干燥12小时得到气凝胶A；

第四步：将第三步制得的气凝胶A浸渍于20ml乙醇、4mmol对苯二甲醛、8mmol甲基三甲氧基硅烷、4mmol 3-氨丙基三乙氧基硅烷、4ml去离子水和0.4ml乙酸的混合溶液中，得到混合物；

第五步：将第四步制得的混合物置于65℃环境中12小时得到凝胶B；

第六步：将第五步制得的凝胶B在65℃下进行4次乙醇置换，每次12小时，乙醇的用量为100ml，置换后在80℃环境下干燥12小时得到气凝胶B；

第七步：对第六步得到的气凝胶B以升温速率为3℃/min下升温至1500℃，在1500℃环境下热处理5小时后，自然冷却得到自生长纳米线增强的碳化硅气凝胶，密度为0.12g/cm

实施例3：

一种自生长纳米线增强碳化硅气凝胶材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

第一步：将30ml乙醇、4mmol对苯二甲醛、5mmol甲基三甲氧基硅烷、4mmol

3-氨丙基三乙氧基硅烷、4ml去离子水和0.1ml盐酸混合均匀，在超声波清洗机中搅拌15分钟，使充分混合反应得到溶胶；

第二步：第一步制得的溶胶置于60℃环境中经过12小时凝胶及老化后制得凝胶A；

第三步：将第二步中制得的凝胶A在60℃下进行4次异丙醇置换，每次12小时，异丙醇的用量为120ml，置换后在真空环境下80℃环境下干燥12小时得到气凝胶A；

第四步：将第三步制得的气凝胶A浸渍于40ml乙醇、4mmol对苯二甲醛、8mmol甲基三甲氧基硅烷、4mmol 3-氨丙基三乙氧基硅烷、4ml去离子水和0.1ml盐酸的混合溶液中，得到混合物A；

第五步：将第四步制得的混合物A置于60℃环境中12小时得到凝胶B；

第六步：将第五步制得的凝胶B在60℃下进行4次乙醇置换，每次12小时，乙醇的用量为120ml，置换后在80℃环境下干燥12小时得到气凝胶B；

第七步：对第六步得到的气凝胶B浸渍于40ml乙醇、4mmol对苯二甲醛、8mmol甲基三甲氧基硅烷、4mmol 3-氨丙基三乙氧基硅烷、4ml去离子水和0.1ml盐酸的混合溶液中，得到混合物B；制得的混合物B置于60℃环境中12小时得到凝胶C；凝胶C在60℃下进行4次乙醇置换，每次12小时，乙醇的用量为120ml，置换后在80℃环境下干燥12小时得到气凝胶C；

第八步：气凝胶C以升温速率为3℃/min下升温至1600℃，在1600℃环境下热处理2小时后，自然冷却得到自生长纳米线增强的碳化硅气凝胶，密度为0.15g/cm

前述对本发明的具体实施例案是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且可根据上述教导，进行很多改变和变化。对示例性实施例案进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够在不偏离本发明范围的情况下实现并利用本发明的各种不同的示例性实施例案。本发明的真实范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。