气凝胶复合结构材料及其制备方法和应用，包含其的结构或装置与流程

本发明涉及气凝胶材料领域，具体而言，涉及气凝胶复合结构材料及其制备方法和应用，包含其的结构或装置。

背景技术：

随着现代科技的发展，在很多领域对隔热材料的要求越来越高，传统的隔热材料如无机纤维、有机泡沫等已不能满足现代工业的需求。因此现代工业隔热材料的一个新的发展方向－气凝胶复合隔热材料应运而生，其主要是由于气凝胶具有高空隙率，而且其孔为纳米尺寸，可以有效的抑制热传导和热对流，是目前最理想的隔热材料。

SiO₂气凝胶具有三维纳米颗粒骨架，高比表面积，纳米级孔洞，低密度等特殊的微观结构，因而在热学、光学、电学、声学等方面都表现出独特的性质。在热学方面，气凝胶的纳米多孔结构能够有效抑制固态热传导和气体传热，具有优异的热特性，是目前公认的热导率最低的固态材料(常温下为0.01～0.03W/m·K)。同时，二氧化硅气凝胶还具有较高的使用温度，甚至在900℃高温下仍具有较好的多孔网络结构。因此，二氧化硅气凝胶作为一种轻质保温隔热材料，在航天航空、化工等领域中有着广阔的应用前景。

然而，目前商业化的二氧化硅气凝胶材料耐压性不是很好。商业化生产的二氧化硅气凝胶在2个千帕左右会被压缩10％左右；如果继续加压，气凝胶的结构会逐渐受到不可逆转的破坏，从而损失包括隔热性能在内的多方面的性能，而这也限制了气凝胶的一些应用。比如，如果将二氧化硅气凝胶材料作为水下和地下管道的隔热层，则不能将其铺设在一定的深度以下，否则将无法起到其应有的作用。再比如，经常会发生碰撞的场合，如现场工人经常会触碰的工业设备上，在使用气凝胶的过程中也会产生一定的顾虑，这不仅会增加工作量，同时也会提高施工的复杂性和施工难度，而且也难以保证施工效果。

同时，一些其它种类的气凝胶，比如一种开环易位聚合工艺(ROMP)制备的交联型聚酰亚胺气凝胶，虽然抗压强度显著优于商业化的二氧化硅气凝胶，但是此类气凝胶合成方法复杂，而且往往要使用非常规的，昂贵的化学试剂，这样得到的产品并不经济。因此不能在需要大规模应用的场合使用。

如果能提高气凝胶材料的耐压性，同时尽可能保持其隔热能力强，耐热性好，密度小等优点，并且不显著增加成本，将会显著促进其应用。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种气凝胶复合结构材料，所述的气凝胶复合结构材料中，通过将气凝胶、中空玻璃微珠和增强纤维网等材料相结合，从而能够有效提高材料的抗压性能，并解决了现有技术气凝胶材料抗压性能差等的技术问题，同时还能够保留气凝胶原有的隔热性好、密度低的性能。

本发明的第二目的在于提供一种所述的气凝胶复合材料的制备方法，本发明方法中，通过采用物理的方法将气凝胶、中空玻璃微珠以及增强纤维网结合起，从而能够方便、快捷的提供一种具有高抗压性能的新型材料，而且制备成本低廉，易于大规模生产制备。

本发明的第三个目的在于提供一种所述气凝胶复合材料的应用，本发明气凝胶复合材料具有良好的耐压、隔热性能，因而能够进一步用于耐压隔热材料的制备。

本发明的第四个目的在于提供一种包含本发明气凝胶复合材料的结构或装置。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种气凝胶复合结构材料，所述气凝胶复合结构材料由气凝胶、中空玻璃微珠以及增强纤维网组成。

可选的，本发明中，所述增强纤维网为聚酯、尼龙、玻纤、碳纤、聚丙烯或者芳纶中的一种或几种材质的复合增强纤维网。

可选的，本发明中，所述气凝胶复合结构材料还进一步包括贴面层；

其中，所述贴面层设置于所述气凝胶复合结构材料表面。

可选的，本发明中，所述贴面层为聚酯、尼龙、玻纤、碳纤、聚丙烯或者芳纶中的一种或几种材质的密实布料层或网格层。

同时，本发明还提供了所述气凝胶复合结构材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

将未凝胶的、气凝胶反应物溶液倒入中空玻璃微珠中，得到混合物；然后，将所述增强纤维网平铺开，并将所述混合物倒在所述增强纤维网的表面；然后，将混合物在增强纤维网的表面刮平，使得混合物能够在增强纤维网上平铺，并填充增强纤维网的网格空间；接着，进行凝胶以及后处理，即得气凝胶复合结构材料成品。

可选的，本发明中，所述方法还进一步包括在所得气凝胶复合结构材料的表面覆盖贴面层的步骤。

可选的，本发明中，所述未凝胶的、气凝胶反应物溶液的体积为中空玻璃微球体积的90～130％。

可选的，本发明中，将所述混合物倒在所述增强纤维网的表面的具体步骤为：将所述混合物倒在所述增强纤维网的表面，同时控制所述混合物的加入量，并使得混合物的高度为所述增强纤维网厚度的90～110％。

进一步的，本发明还提供了所述气凝胶复合结构材料在制备抗压隔热材料中的应用。

同样的，本发明也提供了包含所述气凝胶复合结构材料的结构或装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明气凝胶复合结构材料抗压缩强度高，最高可以达到120MPa以上，远远超过普通水泥；

(2)本发明气凝胶复合结构材料隔热性能强、耐热性好以及密度小，材料的导热系数能够保持在0.03W/m·K以下；同时，气凝胶复合结构材料在压力下收缩小；

(3)本发明制备方法工艺简单，制备时间短，而且与现有的各种气凝胶生产工艺兼容性好，同时还不会明显增加气溶胶材料的生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的一个实施例所提供的复合结构材料；

图2为本发明的另一个实施例所提供的复合结构材料；

其中，图1中，1－气凝胶和玻璃微珠混合物，2－增强纤维网；图2中，1－碳纤维布，2－气凝胶复合结构材料半成品。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明所提供的气凝胶复合结构材料，其基本结构为由气凝胶、中空玻璃微珠和增强纤维网构成；

其中，所述气凝胶可以为硅系、碳系、硫系、金属氧化物系、金属系或者聚合物气凝胶等；由于本发明制备方法与现有的各种气凝胶生产工艺兼容性好，所以能够制备包含各种类型气凝胶的复合结构材料；

其中，所述中空玻璃微珠是一种尺寸微小的中空玻璃球体，通常由硼硅酸盐原料加工而成，典型粒径范围10－180微米，壁厚1－2微米，堆积密度0.1－0.25克/立方厘米，有质轻、低导热、较高的强度、良好的化学稳定性、隔音、高分散、电绝缘性和热稳定性好等优点；常用的玻璃微珠抗压强度在1MPa到120MPa之间；

其中，所述增强纤维网为市售或者自制，并具有微观网格的结构的纤维材料，具体的可以为聚酯、尼龙、玻纤、碳纤、聚丙烯或者芳纶中的一种或几种材质的复合增强纤维网。

进一步的，本发明所提供的气凝胶复合结构材料中，所述中空玻璃微珠与气凝胶的混合物是平铺设置于增强纤维网的网格结构中，并填充于增强纤维网的网格空隙中；

具有如上结构的复合结构材料中，所述增强纤维网可以起到基底的作用，能够将中空玻璃微珠和气凝胶通过物理粘合的方法有机的结合起来；同时，所述复合结构材料的拉伸强度也取决于增强纤维网的拉伸强度，因而，要得到高拉伸强度的产品，优选拉伸强度高的增强纤维网；

同时，所述气凝胶复合结构材料的压缩强度，是取决于玻璃微珠的抗压强度的，所以要得到高抗压的产品，则必须选择抗压性能强的玻璃微珠，而这也能够有效提高最终产品的抗压性能；

同时，作为粘合和填充物的气凝胶，能够起到将中空玻璃微珠有效粘合于增强纤维网，并防止其掉落的作用；同时填充的气凝胶还能够发挥其隔热性能好、耐热能力强以及密度轻等优点，并使得最终的气凝胶复合结构材料也具有良好的耐热、隔热性能，同时质轻的特点也使得复合结构材料能够用于航天等领域中。

本发明进一步所提供的气凝胶复合结构材料，则是在气凝胶、中空玻璃微珠和增强纤维网所构成的基本结构的基础上，进一步覆盖贴面层。即，由气凝胶，中空玻璃微珠，增强纤维网和贴面层构成的气凝胶复合结构材料；

其中，所述气凝胶、中空玻璃微珠和增强纤维网的结构和可能组成均与如前所述的基本结构的气凝胶复合结构材料相同；

其中，所述贴面层为聚酯、尼龙、玻纤、碳纤、聚丙烯或者芳纶中的一种或几种材质的密实布料层或网格层；

同时，所述贴面层设置于所述气凝胶复合结构材料的表面；优选的，在所述气凝胶复合结构材料的上下表面都设置贴面层，并通过黏贴的方式与所述气凝胶复合结构材料的表面相连接，即可以将增强贴面用胶贴在气凝胶—玻璃微珠—增强纤维网结构的表面；

进一步的，也要保证贴面层的大小要能够覆盖整个气凝胶复合结构材料；

贴面层的设置，不仅能够有效避免使用过程中气凝胶的脱落，而且能够进一步提高气凝胶复合结构材料的拉伸强度；因而，这种进一步带有贴面层的气凝胶复合结构材料，可以通过选用具有拉伸强度高的增强纤维网和增强贴面层，从而得到具有高拉伸强度的产品。

进一步的，本发明的气凝胶复合结构材料的制备方法主要包括如下步骤：

首先，是将未凝胶的，气凝胶反应物的溶液倒入中空玻璃微珠中，溶液的体积为中空玻璃微球的90～130％，这形成了粘稠的混合物；

然后，将所述增强纤维网平铺开，将前述混合物倒入增强纤维网的表面，同时控制所述混合物的加入量，并使得混合物的高度为所述增强纤维网厚度的90～110％(例如可以首先测量增强纤维网的网格空隙体积，再根据网格空隙体积确定混合物的加入量)；接着，用刮刀将混合物刮开，从而使得混合物能够在增强纤维网的表面均匀分布，并填充增强纤维网的网格空间；

最后，进行气凝胶溶液的凝胶、老化、改性以及干燥等后处理，即得成品。

进一步的，如果制备带有贴面层的气凝胶复合结构材料，还需要在气凝胶干燥后，将增强贴面用胶贴在气凝胶－玻璃微珠－增强纤维网结构材料的表面，从而提高拉伸强度，并抑制掉粉。

同时，由于本发明所提供的气凝胶复合结构材料具有高达120MPa的抗压性能以及良好的隔热、耐热性能，因而，也能够进一步用于制备相应的抗压、隔热材料，例如可以作为主材料或者功能性材料，并用于制备航空、航天器的隔热器件或者隔热装置。

实施例1

如图1所示，本实施中，所述中空玻璃微珠选用3M的S60HS中空玻璃微球，其抗压强度124.02MPa，粒径大约1微米到10微米之间；同时，增强纤维网2是厚度为2毫米的无碱玻璃纤维网，网格尺寸为5mm×5mm；

然后，按照如下方法制备气凝胶复合结构材料：

(1)将未凝胶的，气凝胶反应物的溶液倒入中空玻璃微珠中，溶液的体积为中空玻璃微球的90～130％，形成粘稠的混合物；

(2)将增强纤维网2平铺开，将前述混合物倒入增强纤维网2的表面，并使得混合物的高度与增强纤维网的厚度相同；然后，用刮刀将混合物刮开，使得混合物能够在增强纤维网2的表面均匀分布；

(3)进行气凝胶溶液的凝胶、老化、改性以及干燥等后处理，得到成品。

所制得的成品中，气凝胶填充在玻璃微珠的空隙之间，起到粘合作用，防止微珠掉落；气凝胶和玻璃微珠混合物1起到隔热作用。

经检测，所制得的气凝胶复合结构材料的抗压强度120.0MPa，导热系数0.027W/MK。

实施例2

图2是一种高抗压、高抗拉的气凝胶复合结构材料，是在实施例1的材料结构的基础上，在上下表面用环氧树脂粘贴碳纤维布1，得到了高抗拉强度的产品；

具体的，本实施例中，所述中空玻璃微珠选用3M的S60HS中空玻璃微球，其抗压强度124.02MPa，粒径大约1微米到10微米之间；同时，增强纤维网是厚度为2毫米的无碱玻璃纤维网，网格尺寸为5mm×5mm；所述贴面层为碳纤维布层；

然后，按照如下方法制备气凝胶复合结构材料：

(1)将未凝胶的，气凝胶反应物的溶液倒入中空玻璃微珠中，溶液的体积为中空玻璃微球的90～130％，形成粘稠的混合物；

(2)将所述增强纤维网平铺开，将前述混合物倒入增强纤维网的表面，并使得混合物的高度与增强纤维网的厚度相同；然后，用刮刀将混合物刮开，使得混合物能够在增强纤维网的表面均匀分布；

(3)进行气凝胶溶液的凝胶、老化、改性以及干燥等后处理，得到气凝胶复合结构材料半成品2；

(4)在半成品的上下表面用环氧树脂粘贴碳纤维布1，得到了高抗拉强度的产品。

经检测，所制得的气凝胶复合结构材料的抗压强度124.8MPa；热系数为；0.028W/MK

实施例3

分别采用聚酯、尼龙、碳纤、聚丙烯或者芳纶增强纤维网为基底材料；同时，以碳气凝胶制备过程中，尚未凝胶的溶液为原料，并按照实施例1方法制备相应的气凝胶复合结构材料。

制备结果表明，上述原料的组合均能够制备得到具有类似于实施例1种所述结构的气凝胶复合结构材料，而且所制得的复合结构材料也都具有良好的抗压强度和耐热性。

本发明方法制备工艺简单，而且与现有的各种气凝胶生产工艺兼容性好，所制得的气凝胶复合结构材料抗压缩强度高，隔热性能强、耐热性好以及密度小，在压力下收缩小，具有优异的理化性能。进一步的，本发明所制得的气凝胶复合结构材料还能够进一步主材料或者功能性材料，并用于制备航空、航天器的隔热器件或者隔热装置。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。