1.本发明涉及保温隔热材料技术领域，具体涉及一种轻质高强度保温毡及其制备方法与应用。
背景技术：
2.保温炉包括脱脂炉、高温碳化炉、低温碳化炉、cvd炉、cvi炉等，被广泛应用于化工、能源、航空航天等领域，而隔热层对保温炉起着至关重要的作用。因此，优良的高温隔热效果的隔热毡能够有效降低炉内热量的扩散，减少热量的损失，节约能源，同时提升隔热毡的机械强度，可延长隔热毡的使用寿命。目前我国的多种保温炉仍采用传统的毡类隔热材料，传统的毡类隔热材料存在使用温度低、隔热性能差、热场不稳定、机械强度较低、使用寿命短等缺陷。
3.申请号为cn201410235108.9的国内专利公开了一种硬质保温碳毡的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)制备胶液；(2)将聚酯薄膜平铺于工作平台上，然后将石墨纸铺设于聚酯薄膜上；(3)将若干软碳毡逐层铺设于石墨纸上方；(4)在最上层软碳毡上铺设石墨纸和聚酯薄膜，得到组合件；(5)将组合件置于热压机中进行热压固化；(6)去除组合件的聚酯薄膜，然后置于炭化炉中，在氮气保护下进行炭化，得到硬质保温碳毡。上述发明通过向普通软碳毡中引入树脂，并通过逐层铺设将若干软碳毡粘接在一起，然后采用热压固化和炭化，制备的硬质保温碳毡具有密度小、导热系数小、碳含量高、热容量低、线膨胀系数小、耐高温、耐热冲击性强、耐化学腐蚀性强、节约能源等优异的性能，可替代传统的保温炉隔热材料。
4.但是对于上述硬质保温碳毡，其制备工艺较复杂，且虽然通过在碳毡组合体两侧铺设石墨纸，可增强碳毡对热传导和热对流的阻隔，还能在一定程度上阻止辐射传热，使所制备的硬质保温碳毡能更好地起到隔热作用。但是由于石墨纸的力学性能欠佳，对于软碳毡的力学性能，特别是韧性提升不高，同时石墨纸与软碳毡的结合强度有限，长期使用后容易开裂分层，因此为了克服以上技术缺陷，仍需要研发性能更加优异的保温碳毡，以满足各领域的需求。
技术实现要素：
5.本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的保温碳毡制备工艺复杂，且力学性能较差，导致使用后易开裂分层，提供一种制备简单、能够提高碳毡机械性能的轻质高强度保温毡。
6.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题：
7.一种轻质高强度保温毡，包括预制软碳毡，所述预制软碳毡的表面覆有碳纳米管层。
8.有益效果：本发明预制软碳毡表面覆有碳纳米管层，碳纳米管由于其特殊的纳米结构，使得其具有优良的力学性能。因此外力作用于轻质高强度保温毡时，可使力通过界面
传递到碳纳米管层上，碳纳米管承担了施于预制软碳毡的载荷，有效应用碳纳米管的力学性能，因而使预制软碳毡具有较高的韧性，并整体提升了预制软碳毡的机械强度。
9.优选地，所述预制软碳毡由三聚氰胺纳米海绵(由三聚氰胺发泡制备得到的纳米海绵)在真空或惰性气体氛围下经碳化处理制备得到。
10.有益效果：三聚氰胺纳米海绵多孔质轻，使用方便，较金属泡沫具有一定的柔性和可变型性，即使在碳化处理后仍可根据外界的压力条件改变其厚度和孔的密度，使其具有良好的可折叠性和保温性能，适用范围更广。本发明由三聚氰胺纳米海绵经碳化处理制备得到的预制软碳毡，微观结构表面具有一定的粗糙度，在后续原位生长碳纳米管时，可以更好的承载催化剂颗粒，使得碳氢化合物分解产生的小分子在预制软碳毡的表面更好的结合，从而生成更均匀且具有好的结晶度及高纯度的碳纳米管。
11.本发明制备预制软碳毡时，直接使用三聚氰胺纳米海绵炭化，不需要经过炭纤维预制体成型过程，成本相对较低，且该预制软碳毡质软、密度小、导热系数低、热场均匀，孔隙率高。
12.优选地，所述三聚氰胺纳米海绵的密度为0.008
‑
0.01g/cm3。
13.有益效果：上述密度的三聚氰胺纳米海绵，有效保证了所得预制软碳毡的孔隙率。三聚氰胺纳米海绵的厚度可根据实际所需进行确定。
14.优选地，所述预制软碳毡具体由以下方法制备得到：将三聚氰胺纳米海绵置于碳化炉中，在真空状态或惰性气体氛围下，先快速升温至200
‑
250℃，恒温15
‑
60min，然后以0.2
‑
1℃/min的升温速率升温至350
‑
400℃，恒温30
‑
120min，接着以1
‑
5℃/min的升温速率升温至700
‑
750℃，恒温30
‑
120min，然后以0.2
‑
1℃/min的升温速率升温至900
‑
950℃，恒温15
‑
60min，接着以1
‑
5℃/min的升温速率升温至1000
‑
1200℃，恒温60
‑
120min，随炉冷却至室温，得预制软碳毡。
15.本发明中，三聚氰胺纳米海绵具有较强的耐温性，因此开始低温阶段可快速升温至200
‑
250℃，进行前期预热，保温时间也不必太长，因此设置为15
‑
60min；接着以较慢速率0.2
‑
1℃/min进行升温至350
‑
400℃，保温30
‑
120min，此温度范围三聚氰胺纳米海绵开始收缩，为了保证其组织结构的稳定性和均匀一致性，因此采用低速长保温时间进行加热，使其均匀缓慢收缩并达到一定的稳定性；其结构达到一定的稳定性后，接着以较快速率1
‑
5℃/min升温速率升温至700
‑
750℃，保温30
‑
120min，达到快速碳化和定型作用；接着以较慢速率0.2
‑
1℃/min升温至900
‑
950℃，保温15
‑
60min，进行进一步收缩碳化，达到所需要的密度和厚度；最后以较快速率1
‑
5℃/min进行升温，保温60
‑
120min，进行最后的碳化和定型；五步加热法可使三聚氰胺纳米海绵循序渐进地逐步进行收缩和碳化，防止其收缩太快，造成结构的不均匀不一致和不稳定，保证了最终所得软碳毡的优异性能。
16.作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种轻质高强度保温毡的制备方法，包括以下步骤：采用化学气相沉积法在预制软碳毡表面原位生长碳纳米管，制备得到所述轻质高强度保温毡。
17.有益效果：采用化学气相沉积法在其表面原位生长碳纳米管，使预制软碳毡的表面覆有碳纳米管层，相比于传统方法(采用碳纤维、碳布、石墨纸等经过粘接、热压固化等方式进行复合制得碳毡)，本发明制备得到的保温毡不仅质轻，密度小，保温性能佳，在连续多孔结构的泡沫预制软碳毡上原位生长碳纳米管形成一体结构碳毡，碳纳米管层与预制软碳
毡表面结合力强，可有效应用碳纳米管的力学性能，得到的轻质高强度保温毡不会开裂分层，同时抗弯强度高，有效延长了使用寿命，并且工艺简略，节约能源，降低制造成本，从根本上解决了目前保温毡存在的一系列问题，在保温炉的保温隔热中具有很好的使用效果。
18.优选地，所述轻质高强度保温毡的制备方法具体包括以下步骤：将所述预制软碳毡放入化学气相沉积炉的反应腔中，封闭反应腔，在真空状态下，将化学气相沉积炉升温至300
‑
500℃，恒温30
‑
60min，然后升温至650
‑
850℃，将金属元素化合物加热气化后随反应气体一同持续进入反应腔中，保温10
‑
45min，在预制软碳毡表面原位生长碳纳米管，所述反应气为碳源气和还原气的混合气体；反应结束后停止通入气体，抽真空自由冷却至室温后出炉。
19.有益效果：上述制备方法中，金属元素化合物在还原气气氛下被还原为金属颗粒，沉积于基体表面作为生长碳纳米管的催化剂，碳源气(碳氢化合物)在高温下分解产生小分子链，然后在催化剂的作用下生成碳纳米管。其中300
‑
500℃为炉体温度，为后续沉积做准备，之后选择升温至650
‑
850℃，是因为此温度范围反应物分解的速率较为平稳，活性也较为适中，最终获得沉积均匀、质量较好的碳纳米管。
20.优选地，上述制备方法中，以5
‑
10℃/min的升温速率升温至300
‑
500℃；以5
‑
10℃/min的升温速率升温至650
‑
850℃。
21.优选地，所述反应气体的流量为90
‑
350sccm，反应气体中所述碳源气和还原气的体积比为1：(3
‑
8)，所述碳源气为甲烷、乙烯、丙烷和丙烯中的任意一种或几种的混合气体，所述还原气为氢气和惰性气体的混合气体，所述氢气和惰性气体的体积比为1：(2
‑
8)。
22.优选地，所述金属元素化合物为金属铁、钼、钴、镍、铜、铬中的至少一种金属的氯化物，所述金属元素化合物的气化流量为150
‑
400sccm。
23.本发明合理选择碳源气、金属元素化合物等，并通过调节升温速率、流量等参数，可以使碳纳米管均匀地生长于预制软碳毡上。
24.作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种上述轻质高强度保温毡或如上述制备方法制备得到的轻质高强度保温毡在保温炉的保温隔热中的应用。
25.本发明的优点在于：本发明预制软碳毡表面覆有碳纳米管层，碳纳米管由于其特殊的纳米结构，使得其具有优良的力学性能。因此外力作用于轻质高强度保温毡时，可使力通过界面传递到碳纳米管层上，碳纳米管承担了施于预制软碳毡的载荷，有效应用碳纳米管的力学性能，因而使预制软碳毡具有较高的韧性，并整体提升了预制软碳毡的机械强度。
26.采用化学气相沉积法在其表面原位生长碳纳米管，使预制软碳毡的表面覆有碳纳米管层，相比于传统方法(采用碳纤维、碳布、石墨纸等经过粘接、热压固化等方式进行复合制得碳毡)，本发明制备得到的保温毡不仅质轻，密度小，保温性能佳，在连续多孔结构的泡沫预制软碳毡上原位生长碳纳米管形成一体结构碳毡，碳纳米管层与预制软碳毡表面结合力强，可有效应用碳纳米管的力学性能，得到的轻质高强度保温毡不会开裂分层，同时抗弯强度高，有效延长了使用寿命，并且工艺简略，节约能源，降低制造成本，从根本上解决了目前保温毡存在的一系列问题，在保温炉的保温隔热中具有很好的使用效果。
27.三聚氰胺纳米海绵多孔质轻，使用方便，较金属泡沫具有一定的柔性和可变型性，即使在碳化处理后仍可根据外界的压力条件改变其厚度和孔的密度，使其具有良好的可折叠性和保温性能，适用范围更广。本发明由三聚氰胺纳米海绵经碳化处理制备得到的预制
软碳毡，微观结构表面具有一定的粗糙度，在后续原位生长碳纳米管时，可以更好的承载催化剂颗粒，使得碳氢化合物分解产生的小分子在预制软碳毡的表面更好的结合，从而生成更均匀且具有好的结晶度及高纯度的碳纳米管。
28.本发明制备预制软碳毡时，直接使用三聚氰胺纳米海绵炭化，不需要经过炭纤维预制体成型过程，成本相对较低，且该预制软碳毡质软、密度小、导热系数低、热场均匀，孔隙率高。
29.采用一定密度的三聚氰胺纳米海绵，有效保证了所得预制软碳毡的孔隙率。三聚氰胺纳米海绵的厚度可根据实际所需进行确定。
30.气相沉积步骤中，金属元素化合物在还原气气氛下被还原为金属颗粒，沉积于基体表面作为生长碳纳米管的催化剂，碳源气(碳氢化合物)在高温下分解产生小分子链，然后在催化剂的作用下生成碳纳米管。其中300
‑
500℃为炉体温度，为后续沉积做准备，之后选择升温至650
‑
850℃，是因为此温度范围反应物分解的速率较为平稳，活性也较为适中，最终获得沉积均匀、质量较好的碳纳米管。
31.本发明合理选择碳源气、金属元素化合物等，并通过调节升温速率、流量等参数，可以使碳纳米管均匀地生长于预制软碳毡上。
32.本发明制备的轻质高强度保温毡密度小，介于0.03
‑
0.18g/cm3之间，低于普通碳毡的密度，导热系数为0.05
‑
0.3w/(m
·
k)，抗弯强度可达到15
‑
20mpa。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
35.实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
36.实施例1
37.一种轻质高强度保温毡，包括预制软碳毡，预制软碳毡的表面覆有碳纳米管层。
38.该轻质高强度保温毡的制备方法具体包括以下步骤：
39.1)将密度为0.01g/cm3、厚度为2cm的三聚氰胺纳米海绵铺在工装上后置于碳化炉中，在氩气氛围下，将碳化炉先以10℃/min的升温速率快速升温至200℃，恒温60min，然后以0.2℃/min的升温速率升温至350℃，恒温120min，接着以5℃/min的升温速率升温至750℃，恒温30min，然后以1℃/min的升温速率升温至950℃，恒温15min，接着以1℃/min的升温速率升温至1000℃，恒温120min后，随炉冷却至室温，得预制软碳毡。
40.2)将预制软碳毡置于化学气相沉积炉(cvd系统炉)的生长载台上，然后放入化学气相沉积炉的cvd反应腔中，封闭cvd反应腔，在真空状态下，将化学气相沉积炉以10℃/min的升温速率升温至300℃，恒温60min，然后以5℃/min升温速率升温至650℃，将氯化铁加热气化后随反应气体一同持续进入cvd反应腔中，保温时间控制为10min，在预制软碳毡表面原位生长碳纳米管；反应结束后停止通入气体，抽真空自由冷却至室温后出炉。
41.上述反应气体为甲烷和还原气的混合气体，反应气体流量调节为90sccm，甲烷和还原气的体积比为1：3；还原气为氢气和氩气的混合气，氢气和氩气的体积比为1：2。氯化铁的气化流量为150sccm。
42.本实施例制备的轻质高强度保温毡炭的整体体积密度为0.03g/cm3，导热系数为0.05w/(m
·
k)，抗弯强度为15mpa，其中碳纳米管的质量为保温毡炭总体质量的0.5wt％。
43.实施例2
44.一种轻质高强度保温毡，包括预制软碳毡，预制软碳毡的表面覆有碳纳米管层。
45.该轻质高强度保温毡的制备方法具体包括以下步骤：
46.1)将密度为0.01g/cm3、厚度为2cm的三聚氰胺纳米海绵铺在工装上后置于碳化炉中，在氩气氛围下，将碳化炉先以先10℃/min的升温速率快速升温至250℃，恒温15min，然后以1℃/min的升温速率升温至400℃，恒温30min，接着以1℃/min的升温速率升温至700℃，恒温120min，然后以0.2℃/min的升温速率升温至900℃，恒温60min，接着以5℃/min的升温速率升温至1200℃，恒温60min后，随炉冷却至室温，得预制软碳毡。
47.2)将预制软碳毡置于化学气相沉积炉(cvd系统炉)的生长载台上，然后放入化学气相沉积炉的cvd反应腔中，封闭cvd反应腔，在真空状态下，将化学气相沉积炉先以10℃/min的升温速率升温至500℃，恒温30min，然后以10℃/min升温速率升温至850℃，将氯化钴加热气化后随反应气体一同持续进入cvd反应腔中，保温时间控制为10min，在预制软碳毡表面原位生长碳纳米管；反应结束后停止通入气体，抽真空自由冷却至室温后出炉。
48.上述反应气体为乙烯和还原气的混合气体，反应气体流量调节为350sccm，乙烯和还原气的体积比为1：5，还原气为氢气和氩气的混合气，氢气和氩气的体积比为1：5。氯化钴的气化流量为250sccm。
49.本实施例制备的轻质高强度保温毡炭的整体体积密度为0.08g/cm3，导热系数为0.25w/(m
·
k)，抗弯强度达到15.8mpa，其中碳纳米管的质量为保温毡炭总体质量的0.65wt％。
50.实施例3
51.一种轻质高强度保温毡，包括预制软碳毡，预制软碳毡的表面覆有碳纳米管层。
52.该轻质高强度保温毡的制备方法具体包括以下步骤：
53.1)将密度为0.01g/cm3、厚度为2cm的三聚氰胺纳米海绵铺在工装上后置于碳化炉中，在氩气氛围下，将碳化炉先以10℃/min的升温速率快速升温至250℃，恒温30min，然后以0.5℃/min的升温速率升温至400℃，恒温60min，接着以3℃/min的升温速率升温至700℃，恒温80min，然后以0.6℃/min的升温速率升温至930℃，恒温40min，接着以3℃/min的升温速率升温至1200℃，恒温90min后，随炉冷却至室温，得预制软碳毡。
54.2)将预制软碳毡置于化学气相沉积炉(cvd系统炉)的生长载台上，然后放入化学气相沉积炉的cvd反应腔中，封闭cvd反应腔，在真空状态下，将化学气相沉积炉以10℃/min的升温速率升温至400℃，恒温40min，然后以10℃/min升温速率升温至800℃，将氯化镍加热气化后随反应气体一同持续进入cvd反应腔中，保温时间控制为30min，在预制软碳毡表面原位生长碳纳米管；反应结束后停止通入气体，抽真空自由冷却至室温后出炉。
55.上述反应气体为丙烷和还原气的混合气体，反应气体流量调节为220sccm，丙烷和还原气的体积比为1：6，还原气为氢气和氩气的混合气，氢气和氩气的体积比为1：5。氯化镍
的气化流量为300sccm。
56.本实施例制备的轻质高强度保温毡炭的整体体积密度为0.15/cm3，导热系数为0.23w/(m
·
k)，抗弯强度达到16mpa，其中碳纳米管的质量为保温毡炭总体质量的0.85wt％。
57.实施例4
58.一种轻质高强度保温毡，包括预制软碳毡，预制软碳毡的表面覆有碳纳米管层。
59.该轻质高强度保温毡的制备方法具体包括以下步骤：
60.1)将密度为0.01g/cm3、厚度为2cm的三聚氰胺纳米海绵铺在工装上后置于碳化炉中，在氩气氛围下，将碳化炉先以10℃/min的升温速率快速升温至250℃，恒温30min，然后以0.5℃/min的升温速率升温至400℃，恒温60min，接着以3℃/min的升温速率升温至700℃，恒温80min，然后以0.6℃/min的升温速率升温至930℃，恒温40min，接着以3℃/min的升温速率升温至1200℃，恒温90min后，随炉冷却至室温，得预制软碳毡。
61.2)将预制软碳毡置于化学气相沉积炉(cvd系统炉)的生长载台上，然后放入化学气相沉积炉的cvd反应腔中，封闭cvd反应腔，在真空状态下，将化学气相沉积炉以10℃/min的升温速率升温至450℃，恒温40min，然后以10℃/min升温速率升温至800℃，将氯化镍加热气化后随反应气体一同持续进入cvd反应腔中，保温时间控制为35min，在碳毡表面原位生长碳纳米管；反应结束后停止通入气体，抽真空自由冷却至室温后出炉。
62.上述反应气体为丙烷和还原气的混合气体，反应气体流量调节为220sccm，丙烷和还原气的体积比为1：8，还原气为氢气和氩气的混合气，氢气和氩气的体积比为1：6。氯化镍的气化流量为350sccm。
63.本实施例制备的轻质高强度保温毡炭的整体体积密度为0.16/cm3，导热系数为0.22w/(m
·
k)，抗弯强度达到16.5mpa，其中碳纳米管的质量为保温毡炭总体质量的0.85wt％。
64.实施例5
65.一种轻质高强度保温毡，包括预制软碳毡，预制软碳毡的表面覆有碳纳米管层。
66.该轻质高强度保温毡的制备方法具体包括以下步骤：
67.1)将密度为0.01g/cm3、厚度为2cm的三聚氰胺纳米海绵铺在工装上后置于碳化炉中，在氩气氛围下，将碳化炉先以10℃/min的升温速率快速升温至250℃，恒温45min，然后以0.5℃/min的升温速率升温至400℃，恒温50min，接着以3℃/min的升温速率升温至700℃，恒温100min，然后以0.6℃/min的升温速率升温至930℃，恒温40min，接着以3℃/min的升温速率升温至1200℃，恒温90min后，随炉冷却至室温，得预制软碳毡。
68.2)将预制软碳毡置于化学气相沉积炉(cvd系统炉)的生长载台上，然后放入化学气相沉积炉的cvd反应腔中，封闭cvd反应腔，在真空状态下，将化学气相沉积炉以10℃/min的升温速率升温至400℃，恒温40min，然后以10℃/min升温速率升温至800℃，将氯化镍加热气化后随反应气体一同持续进入cvd反应腔中，保温时间控制为30min，在预制软碳毡表面原位生长碳纳米管；反应结束后停止通入气体，抽真空自由冷却至室温后出炉。
69.上述反应气体为丙烷和还原气的混合气体，反应气体流量调节为220sccm，丙烷和还原气的体积比为1：8，还原气为氢气和氩气的混合气，氢气和氩气的体积比为1：8。氯化镍的气化流量为400sccm。
70.本实施例制备的轻质高强度保温毡炭的整体体积密度为0.18g/cm3，导热系数为0.3w/(m
·
k)，抗弯强度达到20mpa，其中碳纳米管的质量为保温毡炭总体质量的0.85wt％。
71.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。