[发明专利]一种耐高温轻质氮化硅气凝胶材料的制备方法

说明书

本发明属于纳米多孔材料的制备工艺领域，涉及一种耐高温轻质氮化硅气凝胶材料的制备方法。通过将碳源和氮源进行混合，经水解反应后，引入既可作为促凝剂又可作为硅源的硅烷偶联剂，经溶胶‑凝胶、老化和超临界干燥得到氮掺杂的有机/无机杂化气凝胶，然后在惰性氛围气体保护下进行碳化处理和高温碳热还原，再经后续的空气热煅烧，最终制备出一种耐高温轻质Sisubgt;3/subgt;Nsubgt;4/subgt;气凝胶材料。本发明具有用料简单和工艺简捷的优点，工艺过程操作简单，容易实现规模生产。

技术领域

本发明属于气凝胶材料的制备工艺领域，涉及一种耐高温轻质氮化硅(Si₃N₄)气凝胶材料的制备方法；尤其设计一种采用一步溶胶-凝胶法结合超临界干燥工艺及热处理工艺条件制备块状高比表Si₃N₄抗氧化复合气凝胶的方法。

背景技术

多孔氮化硅具有密度低、热膨胀系数低、耐高温、耐磨损、抗蠕变以及介电常数和抗热震性可调等一系列的优点，因此在冶金、化学、机械工业、半导体、航空、原子能以及雷达天线罩等领域具有广泛应用。气凝胶作为一种具备三维纳米多孔结构的轻质多孔材料，同样具有低密度、高比表面积、高孔隙率等特点，在吸附、催化、隔热和阻抗耦合等方面具备广阔的应用前景，通过将氮化硅材料制备成多孔气凝胶结构，将兼具气凝胶与氮化硅的优异特性，这对于拓展氮化硅材料的应用领域具有十分重要的意义。国内外科研工作者对于氮化硅多孔陶瓷的研究较多，如2004年张勇等人以氮化硅为基体，通过加入一定量的酚醛树脂等添加剂，成功制备了具有较高强度和较高孔隙率的氮化硅多孔陶瓷。还有相关研究人员采用高温下碳化硅表面氧化形成的氧化硅层与原料中的氮源发生反应从而形成最终的氮化硅复合多孔材料。但是国内外对于氮化硅气凝胶的研究较少，Zahra等人以正硅酸四乙酯为硅源，以蔗糖为碳源，硝酸铁为催化剂，经碳热还原制备了氮化硅纳米线。清华大学杨金龙教授团队将炭黑加入到硅溶胶中并且加入一定量的表面活性剂，然后通过调节溶胶pH值实现溶胶-凝胶转变，再通过后续的超临界干燥及高温碳热还原过程制备了氮化硅气凝胶。但是在这些方法中，氮化硅气凝胶中的氮元素均来源于热处理过程中所通的N₂，制备出的氮化硅气凝胶孔洞较大，主要是以微米级的孔洞形式存在，比表面积较低，极大地限制了氮化硅气凝胶在石油化工等领域的应用。而在本方法中，通过在前驱体凝胶中引入氮源，有效提高前驱体凝胶中的氮含量，从而使得碳热还原过程中进行地更为充分，制备出的氮化硅气凝胶比表面积更大，热导率更低。

发明内容

本发明的目的是为了改进现有技术存在的不足而提供一种块状高比表的耐高温氮化硅气凝胶材料的制备方法。该方法中通过引入氮源，提高前驱体湿凝胶中氮含量，继而通过超临界干燥工艺和热处理工艺条件制备Si₃N₄气凝胶材料，用料和工艺简单，微观结构可控性好，制备出的气凝胶材料具备低密度、高比表、抗氧化和耐高温等特性，同时与纤维复合之后可以制备成各种形状的样品，对实现气凝胶材料在环保、节能、化工、航空等多个领域应用具备积极的生产意义。

本发明的技术方案为：一种耐高温轻质氮化硅(Si₃N₄)气凝胶材料的制备方法，其具体步骤如下：

(1)将酚、醛、醇、硅源均匀混合后，在20～50℃的温度下均匀搅拌0.5～4h，得到水解的有机-氧化硅二元溶胶体系；

(2)将氮源加入到步骤(1)中得到的有机-氧化硅二元溶胶体系中，继续在20～50℃的温度下均匀搅拌0.1～2h，得到氮掺杂的二元溶胶体系；

(3)将步骤(2)中得到的氮掺杂的二元溶胶体系倒入模具中反应至凝胶，放置2～30h；

(4)在步骤(3)的凝胶中加入老化液，在烘箱内进行置换；

(5)将步骤(4)中得到的湿凝胶进行超临界干燥处理，氮掺杂的有机-氧化硅复合气凝胶；