[发明专利]一种多级结构弹性碳化硅纳米线气凝胶及其3D打印制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种多级结构弹性碳化硅纳米线气凝胶及其3D打印制备方法和应用，属于陶瓷气凝胶制备技术领域。包括：制备碳纤维水基3D打印墨水；打印碳纤维基结构；经热处理、浸渍聚硅氧烷溶胶后，得到聚硅氧烷溶胶/3D打印碳纤维基结构；在氩气气氛中裂解处理，得到3D打印碳纤维/碳化硅纳米线杂化结构；再经过热处理，得到多级结构弹性碳化硅纳米线气凝胶。该方法通过3D打印调整弹性碳化硅纳米线气凝胶的宏观和微观结构，并且在调整气凝胶的机械强度和热传导方面表现出良好的灵活性。制备的三维复杂多级结构的弹性碳化硅纳米线气凝胶适用于热管理器件、轻量化结构件、高温过滤器、催化剂载体、电极隔膜等相关潜在应用。

技术领域

本发明属于陶瓷气凝胶制备技术领域，具体涉及一种多级结构弹性碳化硅纳米线气凝胶及其3D打印制备方法和应用。

背景技术

由一维陶瓷纳米线或二维纳米片组成的弹性陶瓷气凝胶因其超轻、超高孔隙率、超低导热性、优异的热稳定性和同时可回复的变形性而具有吸引力，在隔热、催化、过滤、航空航天等领域有着广泛的应用前景。到目前为止，已经采用了许多方法来制备弹性陶瓷气凝胶，例如冷冻铸造和超临界干燥、化学气相沉积以及模板辅助转化法。冷冻铸造是制备多孔结构陶瓷气凝胶的常用方法，也是一种以可控方式排列微观形貌的通用策略，通过调整悬浮液浓度和冷冻条件，能够制备出具有不同密度和排列良好的微结构的超弹性SiC纳米线和二氧化硅纳米纤维气凝胶。化学气相沉积是一种简便的方法，可以制备高柔性的纸状SiC纳米线气凝胶，该纸状SiC纳米线气凝胶可以实现可逆压缩性、裂纹不敏感性，甚至可逆拉伸。模板辅助转换法是一种高效且可扩展的方法，可以制备具有简单宏观几何形状的弹性SiC纳米线气凝胶。尽管已有多种制备方法，但新兴的弹性陶瓷气凝胶的制备目前仍旧面临着挑战，例如可加工性差，难以获得适用于实际应用的复杂形状，以及难以精确裁剪微观结构和机械性能。

三维(3D)打印，为具有相当复杂的宏观和微观结构的气凝胶的制造提供了解决思路。3D打印可以以高精度和高速度构建具有设计结构的材料，从而为定制气凝胶的宏观、几何和微观结构提供了便利。直接墨水书写是一种基于挤出的3D打印方法，可用于制造孔径精度从毫米到微米的封闭和开放多孔结构。例如，通过组织由乳化/泡沫陶瓷墨水构成的分级承载网络，即使在94％的高孔隙率下，多孔结构的机械效率也可以提高。通过直接泡沫书写，还可以定制多孔陶瓷的微观结构、几何形状，尤其是机械性能。有研究报道，二氧化硅气凝胶物体是通过直接墨水书写生产的，这使得高精度定制的隔热应用成为可能。此外，墨水中加入的功能性纳米颗粒二氧化锰允许可调功能性，例如气体泵送和挥发性有机化合物降解。

然而，由于可用于直接墨水书写的墨水材料的类型非常有限，并且大多数都是脆性的，因此3D打印技术目前仅限于制备脆性陶瓷气凝胶，但对于弹性陶瓷气凝胶的3D打印制备仍然难以实现，特别是复杂结构的弹性气凝胶。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多级结构弹性碳化硅纳米线气凝胶及其3D打印制备方法，该方法通过3D打印调整弹性碳化硅纳米线气凝胶的宏观和微观结构，能够实现复杂结构的弹性气凝胶制备，并且在调整气凝胶的机械强度和热传导方面表现出良好的灵活性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种多级结构弹性碳化硅纳米线气凝胶的3D打印制备方法，包括以下步骤：

1)制备碳纤维水基3D打印墨水；

2)利用碳纤维水基3D打印墨水打印碳纤维基结构；

3)将3D打印的碳纤维基结构经热处理、浸渍聚硅氧烷溶胶后，得到聚硅氧烷溶胶/3D打印碳纤维基结构；

4)在氩气气氛中，将聚硅氧烷溶胶/3D打印碳纤维基结构裂解处理，得到3D打印碳纤维/碳化硅纳米线杂化结构；

5)将3D打印碳纤维/碳化硅纳米线杂化结构热处理，得到多级结构弹性碳化硅纳米线气凝胶。