[发明专利]一种耐高温SiCOB气凝胶隔热复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于隔热材料技术领域，涉及一种隔热复合材料及其制备方法，尤其涉及一种耐高温、抗氧化SiCOB气凝胶隔热复合材料及其制备方法。

背景技术

随着新型航天飞行器飞行速度不断提高，飞行时间不断延长，飞行器经受的气动加热环境非常恶劣，表面累计气动加热极为严重，飞行器的热防护系统对力学性能优异、轻质、耐高温、高效隔热的防隔热材料提出了迫切的需求。

气凝胶隔热复合材料作为一种新型隔热材料，因其轻质、高效隔热等特点受到各国宇航领域材料研究者们的青睐，尤其是硅氧基气凝胶材料得到了广泛的研究与应用。在硅氧基气凝胶材料中，SiCO气凝胶是一类较重要的气凝胶材料，其结构中的Si原子同时与C原子和O原子相连，相对于SiO₂气凝胶来讲，硅氧网络结构中的部分二价O原子被四价C原子取代后形成坚固的四面体分子结构，可强化气凝胶网络结构，提高气凝胶材料的热学和力学性能。但SiCO气凝胶在1000℃左右，氧气存在的环境中开始发生碳热还原反应造成气凝胶结构的分解，影响了其隔热效果，赵南【赵南.硅酸盐学报，2012,40(10),1473-1477】、Manuel W【Manuel W.Chemistry of.Materials,2010,22,1509-1520】和中国专利【ZL201110110947.4】等报道的SiCO气凝胶块体材料在1000℃有氧环境中均被氧化。耐温性不高、抗高温氧化性较差限制了SiCO气凝胶材料的应用。

如何提高气凝胶隔热复合材料的耐温性、抗高温氧化性以提高高温隔热效果是本领域技术人员极为关注的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种耐高温SiCOB气凝胶隔热复合材料及其制备方法。该隔热复合材料基体为SiCOB气凝胶，增强体为耐高温无机陶瓷纤维，具有耐高温、轻质、低热导率、抗高温氧化等特点，最高使用温度可达1500℃，可满足新型航天飞行器热防护系统提出的更高要求。

本发明的技术方案是：

本发明耐高温SiCOB气凝胶隔热复合材料由耐高温无机陶瓷纤维与SiCOB气凝胶组成。其中耐高温无机陶瓷纤维的耐温性能要求达到1500℃以上，SiCOB气凝胶是一种由Si、C、O、B四种元素以任一组分组成的具有三维网络结构的固体材料，具有轻质、耐高温、低热导率的特点。SiCOB气凝胶均匀的填充在无机陶瓷纤维的空隙内，两者完好的结合在一起。耐高温无机陶瓷纤维的体积百分含量占耐高温SiCOB气凝胶隔热复合材料的20～70％(包括端点)，SiCOB气凝胶的体积百分含量占耐高温SiCOB气凝胶隔热复合材料30-80％(包括端点)。两者有机结合在一起，保证了SiCOB气凝胶隔热复合材料具有良好的高温隔热性能和力学性能。

本发明耐高温SiCOB气凝胶隔热复合材料制备方法是：配制SiCOB有机前驱体溶胶、制备纤维预制件、将纤维预制件与溶胶进行混合，待混合体凝胶后，经老化、超临界干燥后得到SiCOB气凝胶复合材料前驱体，再将气凝胶隔热复合材料前驱体进行高温裂解，即可得到耐高温、抗氧化SiCOB气凝胶隔热复合材料。具体步骤如下：

第一步，配制SiCOB前驱体溶胶

首先将硅源、碳源、酸性催化剂在室温(10-30℃)下混合搅拌1～6小时，使其充分水解；再加入硼源搅拌2～8小时，使其发生缩聚反应，得到SiCOB前驱体溶胶，所述硅源、碳源、硼源、酸性催化剂的摩尔比为：1：0.1～10：0.05～2：0.0005～0.010；

所述的硅源是一种四烷氧基硅烷Si(OR¹)₄(其中R¹是饱和或者非饱和的包含1-12个碳原子的基团)，如正硅酸甲酯、正硅酸乙酯；

所述的碳源是一种结构式为R²_nSi(OR³)_4-n的有机硅氧烷(其中n＝1，2或者3，R²、R³可以代表一种或两种以上的不同结构饱和或者非饱和的包含1-6碳原子的基团，包括烷基、卤代烯烃基、芳基、烷芳基、芳烷基；R²、R³其中一个也可以是氢原子)，如甲基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二乙烯基二乙氧基硅烷，以及以上各物质以任意比互溶的混合物；