一种高温隔热降噪耐辐照超细纤维增强气凝胶复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种纤维增强气凝胶复合材料及其制备方法，特别涉及一种高温隔热降噪耐辐照超细纤维毡与纳米线联合增强气凝胶复合材料及其制备方法。

背景技术

钠冷快堆是近年来国家重点发展的高温堆型，具有安全性高、热效率高、经济性高、市场适应性强等特点，尤其是小型化优势，成为移动式电源和核潜艇重要动力解决方案。然而小型化限制了隔音、隔热材料所需空间，随之带来钠流管道辐照、高温和噪声问题。这些问题极大地危害操作人员健康、降低发电效率，更重要地是影响钠冷快堆隐蔽性。由此可见，核电站管道的保温隔热降噪耐高温对核电站有重要价值，有非常广阔的发展前景。

玻璃棉毡、陶瓷棉毡、二氧化硅气凝胶毡绝热保温材料具有阻燃、防火特点，且使用温度大于500℃，已经广泛应用于舰船柴舱壁、发电机、热力管道等工业高温隔热隔声领域。其中二氧化硅气凝胶复合纤维的气凝胶毡孔隙率达到90％，具有优异的隔热、隔声性能。气凝胶毡可以很方便包裹钠流管道，也可以设计成多种结构，与其他刚性、弹性结构复合形成隔音罩、隔音套，因此是高温核反应堆隔音隔热重要的候选材料。然而传统二氧化硅气凝胶毡依然存在高温热导率高、耐高温性能差、耐辐照性差、低频隔声性能差等不足。

授权公告号为CN 105202314 B的中国发明专利公开了一种高温管道用的梯度功能玻璃棉毡，该梯度功能玻璃棉毡由内至外是厚度2mm-4mm的超细陶瓷纤维纸层，纸与纸之间填充有硅酸锆、碳化硅孔隙陶瓷粉体，每间隔1毫米夹一层1μm-3μm厚不锈钢薄膜，厚度为5mm-50mm的超细陶瓷纤维纸层，纸与纸之间填充气凝胶，每间隔5mm夹一层2μm-4μm厚铝箔，厚度为10mm-20mm的憎水阻燃玻璃棉毡。该发明的优点是耐高温、较好的高温隔热性能，但同时存在成本高、制作工艺复杂、低频隔声性能差、不耐辐照等缺陷。

授权公告号为CN 102701700 B的中国发明专利公开了一种SiO

如上述两个专利，在核管道保温方面，现有保温材料普遍存在高温导热系数高、不耐辐照、耐温不够、低频隔声性能不足，制作工艺复杂等难题，还不能满足目前的核工业管道应用现状，因此亟需一种新型保温材料来解决现有问题。本发明提出一种将超细纤维毡与纳米线联合增强二氧化硅气凝胶复合材料，可获得优异高温隔热降噪耐辐照性能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高温隔热降噪耐辐照超细纤维增强气凝胶复合材料，由50～70％超细纤维、0～10％纳米线和二氧化硅气凝胶组成，超细纤维平均直径1～3μm，纳米线直径50～300nm、平均长度30～50μm，气凝胶为含硼二氧化硅气凝胶，气凝胶中硼的质量分数0.1～0.5％。

所述的超细纤维与纳米线均匀混合并制成棉毡，棉毡由3～30薄毡叠层而成，薄毡厚度为0.05～0.5mm，所述的纳米线为碳化硅纳米线、碳化硼纳米线、氧化钛纳米线。

所述的超细纤维在适用于100～300℃服役温度时为高碱玻璃纤维或碳纤维预氧丝棉，在适用于300～500℃服役温度时为中碱玻璃纤维，在适用于500～900℃服役温度时为无碱玻璃纤维，在适用于900～1200℃时为陶瓷纤维或石英纤维，在适用于1200～1500℃时为氧化铝纤维，在适用于1500～2000℃时为碳化硅纤维。

一种高温隔热降噪耐辐照超细玻璃纤维增强气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将超细纤维与纳米线混合制成水性浆料，调节浆料PH值为2-6；

(2)采用湿法超层抄造技术制备超层化纳米线复合超细纤维毡；

(3)将超细纤维毡浸渍于正硅酸乙酯/乙醇混合溶液中，加入硼酸和盐酸作为催化剂；

(4)在40～60℃水解、缩聚、老化形成凝胶；

(5)采用超临界干燥，以液态二氧化碳为干燥介质，在50～70℃和8～12MPa压力下干燥10～24h，得到高温隔热降噪耐辐照超细纤维增强气凝胶复合材料。

与现有材料及技术相比，本发明具有如下有益效果：(1)通过超细纤维取代粗纤维提高纤维毡的比表面积，增加了声波与纤维的作用面积，在气凝胶边界粘滞作用和驻波分布条件下，协同微孔阻尼效应和层状界面反射降低热导率、提高隔音性能；(2)通过加入碳化硅纳米线与氧化钛纳米线，降低高温热辐射，降低高温热导率；(3)通过加入碳化硼纳米线，并利用硼酸改性二氧化硅气凝胶，提高耐辐照性能；(4)通过多种纳米线微区分割纤维毡，纳米线产生的机械联锁反应充分支撑起易散的气凝胶，避免在长期振动等服役过程中出现结构塌陷、界面失效等问题，增加气凝胶的结构稳定性。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

实施例1

一种高温隔热降噪耐辐照超细纤维增强气凝胶复合材料，由70％超细纤维、5％纳米线和二氧化硅气凝胶组成，超细纤维平均直径3μm，纳米线直径200nm、平均长度30μm，气凝胶为含硼二氧化硅气凝胶，气凝胶中硼的质量分数0.1％。

所述的超细纤维与纳米线均匀混合并制成棉毡，棉毡由6薄毡叠层而成，薄毡厚度为0.5mm，所述的纳米线为碳化硅纳米线、碳化硼纳米线、氧化钛纳米线。

所述的超细纤维为超细石英纤维，适用于900～1200℃温度下使用。

一种高温隔热降噪耐辐照超细玻璃纤维增强气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将超细纤维与纳米线混合制成水性浆料，调节浆料PH值为5；

(2)采用湿法超层抄造技术制备超层化纳米线复合超细纤维毡；

(3)将超细纤维毡浸渍于正硅酸乙酯/乙醇混合溶液中，加入硼酸和盐酸作为催化剂；

(4)在45℃水解、缩聚、老化形成凝胶；

(5)采用超临界干燥，以液态二氧化碳为干燥介质，在70℃和12MPa压力下干燥24h，得到高温隔热降噪耐辐照超细纤维增强气凝胶复合材料。

该实施例制备的复合材料在900℃高温下热导率小于0.045W/mK，平均隔声性能达到40dB，耐受温度900～1200℃。

实施例2

本发明的目的在于提出一种高温隔热降噪耐辐照超细纤维增强气凝胶复合材料，由60％超细纤维、8％纳米线和二氧化硅气凝胶组成，超细纤维平均直径1μm，纳米线直径50nm、平均长度50μm，气凝胶为含硼二氧化硅气凝胶，气凝胶中硼的质量分数0.1％。

所述的超细纤维与纳米线均匀混合并制成棉毡，棉毡由30薄毡叠层而成，薄毡厚度为0.1mm，所述的纳米线为碳化硅纳米线、碳化硼纳米线、氧化钛纳米线。

所述的超细纤维为无碱超细玻璃纤维，适用于500～900℃温度下使用。

一种高温隔热降噪耐辐照超细玻璃纤维增强气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将超细纤维与纳米线混合制成水性浆料，调节浆料PH值为5；

(2)采用湿法超层抄造技术制备超层化纳米线复合超细纤维毡；

(3)将超细纤维毡浸渍于正硅酸乙酯/乙醇混合溶液中，加入硼酸和盐酸作为催化剂；

(4)在45℃水解、缩聚、老化形成凝胶；

(5)采用超临界干燥，以液态二氧化碳为干燥介质，在70℃和12MPa压力下干燥24h，得到高温隔热降噪耐辐照超细纤维增强气凝胶复合材料。

该实施例制备的复合材料在500℃高温下热导率小于0.035W/mK，平均隔声性能达到30dB，与普通玻璃纤维毡增强气凝胶复合材料相比，高温热导率降低了200％，平均隔声性能高出300％，同时具有耐辐照、耐高温性能，在核管道高温保温降噪领域有重要应用价值。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。