[发明专利]气凝胶及其制备方法和应用、高温隔热材料或轻质防/隔热材料

说明书

本发明涉及隔热材料领域，具体而言，提供了一种气凝胶及其制备方法和应用、高温隔热材料或轻质防/隔热材料。所述气凝胶包括酚醛骨架和二氧化锆骨架，所述二氧化锆骨架均匀分布于所述酚醛骨架中，酚醛骨架和二氧化锆骨架形成分子网络结构。该气凝胶密度低，强度高，高温耐冲刷性能和抗氧化性能优异，具有烧蚀隔热一体化的功能。

技术领域

本发明涉及隔热材料领域，具体而言，涉及一种气凝胶及其制备方法和应用、高温隔热材料或轻质防/隔热材料。

背景技术

目前，随着超高声速飞行器朝着高马赫数和高续航能力发展，飞行器所面临的气动加热环境更为恶劣，因而对再入飞行器的热防护材料也提出了更高的要求，不仅要求超高声速飞行器的热防护结构简便化和轻量化，也要求其具有多功能化，即在实现防热的同时兼具高效隔热的能力。上世纪九十年代，美国NASA Ames研究中心以酚醛树脂为基体，碳纤维为增强体，通过聚合物相分离原理，开发了具有多孔结构的低密度烧蚀材料，即酚醛浸渍碳烧蚀体(PICA，Phenolic Impregnated Carbon Ablator)，成功应用于“星尘号”返回舱和“猎户座计划”的大面积热防护结构，开启了多孔材料在太空探索领域的应用。

气凝胶作为一种由纳米颗粒交联而成的三维网络结构，以其超低密度、高孔隙率、低热/电导率等优势受到越来越多的关注。气凝胶材料的出现，尤其是有机气凝胶材料的发展，可以满足航天飞行器在各温度区间对防隔热材料的需求。有机气凝胶作为最有前途的新型高效防热材料之一，已成为航空航天领域的首选材料。然而，有机气凝胶的骨架结构主要由聚合物有机链构成，高温有氧环境下，聚合物链极易裂解成小分子物质，因而以有机气凝胶为基体制备的防热材料的抗氧化和高温耐冲刷能力受到极大限制。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种气凝胶，该气凝胶密度低，强度高，高温耐冲刷性能和抗氧化性能优异，具有烧蚀隔热一体化的功能。

本发明的第二目的在于提供一种气凝胶的制备方法，该方法科学合理，工艺简单，制备得到的气凝胶具有密度低、强度高、高温耐冲刷性能和抗氧化性能优异的优点。

本发明的第三目的在于提供一种上述气凝胶在高温隔热材料或轻质防/隔热材料中的应用。

本发明的第四目的在于提供一种高温隔热材料或轻质防/隔热材料。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种气凝胶，包括酚醛骨架和二氧化锆骨架，所述二氧化锆骨架均匀分布于所述酚醛骨架中，酚醛骨架和二氧化锆骨架形成分子网络结构。

作为进一步优选的技术方案，二氧化锆和酚醛的质量比为1:10-1:2，优选为1:8-1:4。

作为进一步优选的技术方案，所述气凝胶的密度为0.05-0.6g/cm³；

优选地，所述气凝胶的室温热导率为0.03-0.07W·(m·K)^-1；

优选地，所述气凝胶的压缩强度为0.5-50MPa。

第二方面，本发明提供了一种上述气凝胶的制备方法，包括以下步骤：将酚醛树脂、锆源、固化剂和溶剂混合后依次经溶胶-凝胶反应、老化和干燥，得到气凝胶。

作为进一步优选的技术方案，所述方法包括以下步骤：

(a)二氧化锆溶胶的配制：将锆源和溶剂混合；

(b)酚醛树脂溶液的配制：将酚醛树脂和溶剂混合；

(c)将步骤(a)中的二氧化锆溶胶、步骤(b)中的酚醛树脂溶液以及固化剂混合均匀，直至得到澄清透明溶液；