[发明专利]一种隔热透波SiO2-Si3N4复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法。

背景技术

隔热材料在航空航天、能源、化工和冶金等众多工业领域已被广泛应用，其重要发展动向是具有低热导率的复合功能隔热材料的研究和开发。兼有优良隔热性能和和透波性能的复合材料成为新的研究热点。其技术关键是在材料配方设计和工艺研究中如何协调和兼顾隔热性能和透波性能这两个相互影响制约的物性。

与一般隔热材料相比，纳米孔隔热材料的体积更小、质量更轻，这一特点使得纳米孔超级隔热材料在航空、航天领域的应用更具有优势。对于研究较为广泛的SiO₂气凝胶隔热效果较好，而且介电常数和介电损耗都很低，但纯SiO₂气凝胶强度过低，纳米孔结构容易坍塌，影响其应用。因此，为了增强SiO₂的强度，目前主要采取复合增强的方法，如颗粒增强、纤维增强以及多种凝胶复合等等。常见的纳米孔材料还有Al₂O₃、ZrO₂和TiO₂气凝胶及其复合材料等，但是难以用于1100℃以上的高温环境。考虑到材料的透波性能，Si₃N₄陶瓷以其优良的室温和高温力学性能、良好的抗热震性，成为了引人注目的天线罩材料，因此，将SiO₂与Si₃N₄复合制备纳米孔级复合材料，有望获得兼具优良的隔热性能和透波性能的复合材料。

目前，制备纳米孔级复合材料的方法有超临界干燥法和冷冻干燥法，超临界干燥法难以制备大尺寸材料，冷冻干燥法由于冰晶的生长从而形成较多微米级孔洞。

发明内容

本发明是要解决超临界干燥法难以制备大尺寸材料和冷冻干燥法由于冰晶的生长而形成较多微米级孔洞的技术问题，从而提供一种隔热透波SiO₂-Si₃N₄复合材料的制备方法。

本发明的一种隔热透波SiO₂-Si₃N₄复合材料的制备方法是按以下步骤进行的：

一、将正硅酸乙酯、无水乙醇、水和草酸溶液混合，磁力搅拌水解24～72h，得到水解的正硅酸乙酯；其中，正硅酸乙酯、无水乙醇、水和草酸溶液的摩尔比为1∶8∶1∶0.5～2×10^-3；

二、向步骤一得到的水解的正硅酸乙酯中加入水、N，N-二甲基甲酰胺和氨水溶液，搅拌0.5～1h后，加入分散剂和粉体Si₃N₄、Al₂O₃及MgO，倒入混料罐中湿混2～6h，在未完全凝胶时倒入模具中静置8～12h，得到含有体积分数为1％～30％的Si₃N₄粉体的凝胶复合体；其中，水解的正硅酸乙酯、水和N，N-二甲基甲酰胺的摩尔比为1∶(2～5)∶(0.5～2)，分散剂、粉体Si₃N₄、Al₂O₃及MgO的质量比为0.01∶1∶(0.01～0.04)∶(0.01～0.04)；

三、将步骤二得到的含有Si₃N₄粉体的凝胶复合体在50～70℃的温度下陈化12～24h，置于无水乙醇与水的体积比为7∶3的混合液中，在60℃条件下老化24～48h，然后置于正硅酸乙酯和无水乙醇的混合溶液中在60℃条件下老化24～48h，得到老化后的凝胶复合体；

四、将步骤三得到的老化后的凝胶复合体用异丙醇进行溶剂置换，在60～80℃温度中放置12～24h，然后用体积比为1～3∶1的异丙醇和正己烷混合液在50～70℃条件下进行溶剂置换12～24小时，然后用正己烷在60℃条件下进行溶剂置换12～24h，然后用体积比为10～30∶1的正己烷和三甲基氯硅烷混合液在40～80℃条件下进行溶剂置换12～24h，最后用正己烷多次清洗凝胶复合体，得到溶剂置换处理的凝胶复合体；

五、将步骤四得到的经过溶剂置换处理的凝胶复合体置于50～80℃鼓风干燥箱中干燥12～48h，然后置于空气炉中以5～10℃/min的升温速率升温至200～500℃保温2～4h，再以5～10℃/min的升温速率升温至600～1000℃保温2～4h，得到隔热透波SiO₂-Si₃N₄复合材料。