一种耐高温、高强气凝胶隔热复合材料及其制备方法与流程

本发明属于气凝胶隔热复合材料，具体涉及一种耐高温、高强气凝胶隔热复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、新型航天飞行器在大气层中以高马赫数长时间飞行，机身处于严重的启动加热、噪声振动和机动飞行过载冲击等恶劣环境中，机身大面积防隔热材料应具有高强度、隔热性能优异、耐高温、轻质等特点。

2、目前已有相应的研究：

3、中国专利公开号cn113773044a，通过采用长纤维作为缝合线将纤维织物与纤维毡进行缝合，获得纤维预制体，然后与溶胶复合的方式增强气凝胶复合材料强度，但其10%形变量的压缩强度仅为0.78-1.22mpa。

4、中国专利公开号cn116239817a，采用石英纤维预制体，复合有机硅气凝胶，采用常温常压干燥的方式得到高强度耐烧蚀有机硅气凝胶复合材料，密度0.3-0.8g/cm3，平均孔径40-200nm，拉伸强度5-25mpa，压缩强度60-200mpa，导热系数0.03-0.06w/m·k，但对于低形变下的压缩强度未作描述，且从压缩曲线可以看出低形变下的压缩强度较低、导热系数较高，而低压缩形变下的压缩强度是表征气凝胶复合材料强度的重要参数之一。

5、中国专利公开号cn118164777a，采用抗压强度和骨架稳定性均优于传统纤维增强体的三维网状结构预制件，制备得到的气凝胶复合材料的压缩强度2.93-16.48mpa，同样的对于低形变下的压缩强度未作描述，且压缩强度较低，导热系数偏高。

6、中国专利公开号cn112592150a，采用无机陶瓷纤维预制件，以水基氧化铝和水基氧化硅混合与预制件复合，通过水热法制备得到氧化铝-氧化硅气凝胶隔热复合材料，1500℃温度下短时间热处理1800s，材料厚度收缩率小于1.50%，但该材料低形变下的压缩强度（3%应变）仅为0.12mpa，且热处理时间较短，其材料在1500℃长时耐温性能未知。

7、中国专利公开号，采用无机陶瓷纤维预制件复合以无机铝和有机硅为先驱体的改性硅溶胶，经乙醇超临界干燥后获得改性硅气凝胶隔热复合材料，经1100℃/1800s石英灯辐射加热处理厚度方向收缩率为1.2%-2.9%，但3%形变对应应力仅为0.10-0.55mpa，且同样的在此温度下的热处理时间较短，未能体现在该温度下的长时耐温性能。

8、气凝胶隔热材料具有超低导热系数，轻质等特点，但其低密度、高孔隙率导致其力学性能较差，因此提高气凝胶材料的力学性能，制备出高强度气凝胶隔热材料以满足新型航天飞行器严苛的使用要求是气凝胶隔热材料的主要研究方向之一。

技术实现思路

1、针对航空航天领域对耐高温高强度隔热材料的苛刻需求，本发明提供一种耐高温、高强气凝胶隔热复合材料及其制备方法，以解决传统气凝胶复合材料低压缩形变下的压缩强度低、导热系数偏高的问题，制备的气凝胶复合材料具有轻质高强、耐高温、导热系数低的特点，并且低形变下具有高压缩强度。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种耐高温、高强气凝胶隔热复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、1）两步法配置溶胶：第一步，将硅源、去离子水与酸催化剂混溶于醇溶剂中，置于30-60℃水浴条件下搅拌1-3h，并冷却至室温；第二步，加入碱催化剂、去离子水和醇溶剂的混合溶液并搅拌，得到溶胶；

5、所述的硅源、醇溶剂、去离子水、酸催化剂、碱催化剂的摩尔比为1:(3-10):(4-12):(1.8×10-3-3.6×10-3):(3.6×10-2-7.2×10-2)；

6、所述的硅源为硅酸乙酯40；

7、所述的醇溶剂，选自甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇中的一种；

8、所述的酸催化剂，选自浓盐酸、浓硝酸、浓硫酸中的一种；

9、所述的碱催化剂为氨水；

10、2）溶胶浸渍：将纤维预制件用模具夹紧并置于真空环境下，将上步骤得到的溶胶吸入模具中，待完全浸没纤维预制件后保压；

11、所述的纤维预制件采用纤维针刺毯或编制而成，密度为0.15-0.40g/cm3，纤维种类选自石英纤维、莫来石纤维、氧化铝纤维；

12、所述的真空环境为-0.06 mpa~-0.1mpa；

13、所述的保压时间为1-3h；

14、3）凝胶和老化：将上步骤得到的模具密封后置于40-60℃环境温度下凝胶老化6-12h；

15、4）超临界干燥：将上步骤得到的模具放入超临界干燥釜中干燥，超临界的温度为260-280℃，压力为8-12 mpa，干燥时间为4-8h；

16、5）重复步骤1）到步骤4）1-3次，对模具中的网络骨架进行原位增强，得到气凝胶隔热复合材料；

17、6）后热处理：将制得的气凝胶隔热复合材料放入烘箱中，600-800℃下热处理2h，得到耐高温、高强气凝胶隔热复合材料，该复合材料设计密度范围为0.45-0.88 g/cm3、3%压缩形变下强度范围为4.05-14.19 mpa，并且常温热导率为0.045-0.089 w/mk；该复合材料置于800-1000℃、2h马弗炉中热处理，质量损失率小于1%，厚度方向尺寸收缩率小于2.3%。

18、进一步的，步骤1）所述的醇溶剂，选自乙醇；所述的酸催化剂，选自浓盐酸。

19、本发明还涉及一种耐高温、高强气凝胶隔热复合材料，采用上述一种耐高温、高强气凝胶隔热复合材料的制备方法得到的，该复合材料密度和结构强度可设计，可根据应用需求，设计密度范围为0.45-0.88 g/cm3、3%压缩形变下强度范围为4.05-14.19 mpa的复合材料，并且常温热导率为0.045-0.089 w/mk范围内，具有很好的隔热效果；该复合材料具有良好的耐高温性能，将制得的复合材料置于800-1000℃、2h马弗炉中热处理，质量损失率小于1%，厚度方向尺寸收缩率小于2.3%，具有优良的耐高温性能。

20、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

21、1、本发明所述的一种耐高温、高强气凝胶隔热复合材料的制备方法，采用硅酸乙酯40作为硅源，通过设计纤维预制体纤维种类和密度、硅源的摩尔比，调控溶胶中生成的二氧化硅的质量分数，通过反复浸渍与超临界干燥，并且通过后热处理增强二氧化硅多孔网络骨架，可显著提高复合材料的结构强度，有效改善低压缩形变下压缩强度低的问题。

22、2、本发明所述的一种耐高温、高强气凝胶隔热复合材料，该复合材料密度和结构强度可设计。该复合材料制备方法可根据应用需求，设计密度范围为0.45-0.88 g/cm3、3%压缩形变下强度范围为4.05-14.19 mpa的复合材料，并且常温热导率仅为0.045-0.089 w/mk范围内，具有很好的隔热效果，极大的拓宽了气凝胶材料在航空航天、新能源、石油等领域的应用。

23、3、本发明所述的一种耐高温、高强气凝胶隔热复合材料，该复合材料具有良好的耐高温性能。将制得的复合材料置于1000℃、2h马弗炉中热处理，质量损失率小于1%，厚度方向尺寸收缩率小于2.3%，具有优良的耐高温性能，在耐高温隔热材料领域具有广阔的应用前景。