[发明专利]一种碳化锆-碳化硼复合气凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳化锆‑碳化硼复合气凝胶及其制备方法，将硼源、去离子水和无水乙醇混合加热搅拌均匀，得到溶液A；将间苯二酚、甲醛和无水乙醇混合搅拌均匀，得到溶液B；将锆源、无水乙醇、去离子水混合搅拌均匀，得到溶液C；溶液B和溶液C混合后，加入到溶液A中，随后加入网络形成剂，搅拌均匀，得到复合溶胶溶液；复合溶胶溶液倒入模具，静置后放到烘箱内进行老化处理，随后将老化后的材料用无水乙醇进行溶剂置换，得到复合湿凝胶，随后进行CO₂超临界干燥处理，得到复合气凝胶材料的前驱体，最后在惰性气氛保护下热处理并除炭，得到碳化锆‑碳化硼复合气凝胶，具有低密度、高强度及低热导等优异性能。

技术领域

本发明属于复合材料制备工艺，具体涉及一种碳化锆-碳化硼复合气凝胶材料及其制备方法。

背景技术

随着航天飞行器不断突破飞行速度技术壁垒及其伴随着的恶劣服役环境，对高性能航天飞行器的热防护材料提出的要求也越来越高。气凝胶是一种具有低密度、高比表面积及低热导等优异性能的三维网络结构的纳米多孔材料。目前在隔热领域中，研究最多的是二氧化硅气凝胶，但其耐温性不高，超过800℃会发生严重孔坍塌，材料结构破坏。为突破气凝胶在航空航天领域中超高温的应用，亟需开发出一种新型耐高温气凝胶材料。碳化锆作为硬度大的高熔点材料和极好的高温耐火材料，具有优良的物理化学性能；碳化硼则是已知最坚硬的三种材料之一，同时也具有密度低、强度大、高温稳定性以及化学稳定性好的特点，因此，将性能优秀的碳化物和气凝胶相结合，开发出一种化锆-碳化硼复合气凝胶的制备方法，不仅可以拓宽气凝胶在超高温领域的应用，还可以有望在航空航天领域具有潜在优势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种工艺简单，原料价格低廉易得，样品性能优异的碳化锆-碳化硼复合气凝胶材料的制备方法。

为了达到上述发明的目的，本发明采取的技术方案如下：

一种碳化锆-碳化硼复合气凝胶的制备方法，包括如下步骤：

(1)将硼源、去离子水和无水乙醇混合加热搅拌均匀，得到溶液A；

(2)将间苯二酚、甲醛和无水乙醇混合搅拌均匀，得到溶液B；

(3)将锆源、无水乙醇、去离子水混合搅拌均匀，得到溶液C；

(4)将溶液B和溶液C混合后，加入到溶液A中，随后加入网络形成剂，搅拌均匀，得到复合溶胶溶液；

(5)将步骤(4)得到的复合溶胶溶液倒入模具，静置后放到烘箱内进行老化处理，随后将老化后的材料用无水乙醇进行溶剂置换，得到复合湿凝胶；

(6)将步骤(5)复合湿凝胶进行CO₂超临界干燥处理，得到复合气凝胶材料的前驱体；

(7)将步骤(6)中得到的复合气凝胶材料的前驱体在惰性气氛保护下以5～10℃/min的升温速率加热至650～850℃，保温时间为5～7小时进行碳化处理，然后继续以2～4℃/min的升温速率加热至1450～1750℃，保温时间为5～10小时进行碳热还原反应，然后将温度降至300～600℃，把惰性气体换成空气，继续保温2～5小时进行除炭处理，冷却得到碳化锆-碳化硼复合气凝胶。

具体地，步骤(1)中，所述硼源为硼酸三甲脂或硼酸三乙脂，硼源、去离子水和无水乙醇按摩尔比1：(60～100)：(30～50)混合；加热搅拌均匀的温度为75～85℃。

优选地，步骤(2)中，间苯二酚、甲醛和无水乙醇按摩尔比1：2：(10～40)混合，溶液B为碳源，并为气凝胶前驱体的一部分骨架结构。

具体地，步骤(3)中，所述锆源为八水合氯氧化锆，锆源、无水乙醇、去离子水按摩尔比1：(30-50)：(40-60)混合。