(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011361256.7
(22)申请日 2020.11.27
(71)申请人 南京龙宇光电材料科技有限公司
地址 210034 江苏省南京市栖霞区龙潭街
道港城路1号办公楼808室
申请人 华东理工大学
(72)发明人 杨宇翔 李杰 李勇 费兆泉
赵怡
(74)专利代理机构 北京高沃律师事务所 11569
代理人 赵晓琳
(51)Int.Cl.
C04B 30/00(2006.01)
C04B 38/08(2006.01)
C04B 14/06(2006.01)
C04B 14/30(2006.01)
C01B 33/155(2006.01)C01B 33/158(2006.01)C01B 33/159(2006.01)C01F 7/02(2006.01)
(54)发明名称一种复合气凝胶隔热材料及其制备方法和应用(57)摘要本发明涉及航空航天用隔热材料技术领域，提供了一种复合气凝胶隔热材料及其制备方法和应用。本发明将SiO 2气凝胶和Al 2O 3气凝胶混合后研磨，将混合粉体和水混合后置于模具中进行热固化，得到复合气凝胶隔热材料；其中SiO 2气 凝胶和Al 2O 3气凝胶均采用改进的溶胶‑凝胶法制备得到。SiO 2气凝胶对Al 2O 3气凝胶的掺杂使得Al 2O 3气凝胶颗粒间的接触点减少，表面/体扩散受到抑制，从而抑制Al 2O 3的高温烧结和α转变，达到提高其耐高温性能和隔热性能的目的。使用本发明的复合气凝胶隔热材料进行隔热，在内部温度为1200℃、隔热材料厚度为1cm的条件下，隔热材料外部的温度＜200℃，能够达到航空隔热
的要求。权利要求书2页 说明书12页 附图7页CN 112456961 A 2021.03.09
C N 112456961
A
1.一种复合气凝胶隔热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将SiO2气凝胶和Al2O3气凝胶混合后研磨，得到混合粉体；
(2)将所述混合粉体和水混合，将所得浆料置于模具中进行热固化，得到复合气凝胶隔热材料；
其中，所述SiO2气凝胶的制备方法包括以下步骤：
(I)将硅溶胶、乙醇、水和酰胺类化合物混合，将混合液的pH值调节至5～6，然后进行凝胶化处理，得到SiO2醇凝胶； (II)将所述SiO2醇凝胶浸泡在正硅酸乙酯乙醇溶液中进行老化，得到老化SiO2醇凝胶；
(III)将所述老化SiO2醇凝胶在疏水化合物溶液中浸泡后常压干燥，得到SiO2气凝胶；
所述Al2O3气凝胶的制备方法包括以下步骤：
(i)将无机铝盐、无水醇类溶剂、酰胺类化合物和环氧化合物混合后进行凝胶化处理，得到Al2O3醇凝胶；
(ii)将所述Al2O3醇凝胶陈化后依次在乙醇水溶液、无水乙醇和正硅酸乙酯乙醇溶液中浸泡，将浸泡后的凝胶常压干燥，得到Al2O3气凝胶。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述SiO2气凝胶的体积为SiO2气凝胶和Al2O3气凝胶总体积为10～20％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热固化的温度为500～650℃，时间为0.5～6h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(I)中硅溶胶、乙醇和水的体积比为(60～75):(120～135):(5～10)；所述酰胺类化合物的体积为硅溶胶体积的3～6％；
所述步骤(I)中的酰胺类化合物包括二氯异氰脲酸、甲酰胺、乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种；
所述调节pH值用试剂为硫酸溶液；
所述凝胶化处理的温度为45～80℃，时间为1～3h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(II)中老化的时间为8～16h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述疏水化合物溶液中的疏水化合物为三甲基氯硅烷和/或六甲基二硅氮烷，溶剂为正己烷和/或异丙醇；所述疏水化合物的用量为步骤(I)中水摩尔量的25～50％；所述步骤(III)中浸泡的时间为8～16h；所述步骤(III)中常压干燥的温度为40～65℃，时间为36～72h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(i)中，无机铝盐为硝酸铝和/或氯化铝；所述环氧化合物为环氧丙烷和/或环氧丁烷；所述无机铝盐、无水醇类溶剂、酰胺类化合物和环氧化合物的摩尔比为(0.8～1.2):(25～30):(0.50～0.72):(5.0～6.0)；
所述步骤(i)中酰胺类化合物包括二氯异氰脲酸、甲酰胺、乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(ii)中陈化的温度为35～50℃，时间为36～60h；在所述乙醇水溶液中浸泡的温度为50～70℃，浸泡次数为1～2次，单次浸泡的时间为12～36h；在所述无水乙醇中浸泡的温度为50～70℃，浸泡次数为1～3次，单
次浸泡的时间为12～36h；在所述正硅酸乙酯乙醇溶液中浸泡的温度为50～70℃，浸泡次数为1～3次，单次浸泡的时间为12～36h；
所述步骤(ii)中常压干燥的温度为40～70℃，时间为36～72小时。
9.权利要求1～8任意一项所述制备方法制备的复合气凝胶隔热材料。
10.权利要求9所述复合气凝胶隔热材料在航空航天领域中的应用。
一种复合气凝胶隔热材料及其制备方法和应用
技术领域
[0001]本发明涉及航空航天用隔热材料技术领域，尤其涉及一种复合气凝胶隔热材料及其制备方法和应用。
背景技术
[0002]随着航空航天事业的飞速发展，航天飞行器等对隔热材料的要求越来越高。气凝胶因具有较高的孔隙率和纳米尺寸的多孔结构，使得其导热率极低且耐高温性优良，能够满足日益苛刻的航天领域需求。
[0003]在众多气凝胶中，又以氧化铝(Al2O3)气凝胶的耐高温和隔热性能最为突出，可用作航空飞行器的隔热层。然而当工作温度超过1000℃，Al2O3气凝胶会发生α-相变，导致体积收缩，破坏其纳米孔结构，使得Al2O3气凝胶的比表面积急剧下降，且在1000℃以上的高温下Al2O3颗粒之间会发生烧结，导致骨架结构发生破坏，使Al2O3气凝胶隔热性能迅速降低。
发明内容
[0004]有鉴于此，本发明提供了一种复合气凝胶隔热材料及其制备方法和应用，本发明提供的复合气凝胶隔热材料耐高温性能和隔热性能好，在1200℃条件下不会出现相变和纳米孔结构破坏的现象。
[0005]为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
[0006]一种复合气凝胶隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)将SiO2气凝胶和Al2O3气凝胶混合后研磨，得到混合粉体；
[0008](2)将所述混合粉体和水混合，将所得浆料置于模具中进行热固化，得到复合气凝胶隔热材料；
[0009]其中，所述SiO2气凝胶的制备方法包括以下步骤：
[0010](I)将硅溶胶、乙醇、水和酰胺类化合物混合，将混合液的pH值调节至5～6，然后进行凝胶化处理，得到SiO2醇凝胶；
[0011](II)将所述SiO2醇凝胶浸泡在正硅酸乙酯乙醇溶液中进行老化，得到老化SiO2醇凝胶；
[0012](III)将所述老化SiO2醇凝胶在疏水化合物溶液中浸泡后常压干燥，得到SiO2气凝胶；
[0013]所述Al2O3气凝胶的制备方法包括以下步骤：
[0014](i)将无机铝盐、无水醇类溶剂、酰胺类化合物和环氧化合物混合后进行凝胶化处理，得到Al2O3醇凝胶；
[0015](ii)将所述Al2O3醇凝胶陈化后依次在乙醇水溶液、无水乙醇和正硅酸乙酯乙醇溶液中浸泡，将浸泡后的凝胶常压干燥，得到Al2O3气凝胶。
[0016]优选的，所述SiO2气凝胶的体积为SiO2气凝胶和Al2O3气凝胶总体积为10～20％。[0017]优选的，所述热固化的温度为500～650℃，时间为0.5～6h。
[0018]优选的，所述步骤(I)中硅溶胶、乙醇和水的体积比为(60～75):(120～135):(5～10)；所述酰胺类化合物的体积为硅溶胶体积的3～6％；
[0019]所述步骤(I)中的酰胺类化合物包括二氯异氰脲酸、甲酰胺、乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种；
[0020]所述调节pH值用试剂为硫酸溶液；
[0021]所述凝胶化处理的温度为45～80℃，时间为1～3h。
[0022]优选的，所述步骤(II)中老化的时间为8～16h。
[0023]优选的，所述疏水化合物溶液中的疏水化合物为三甲基氯硅烷和/或六甲基二硅氮烷，溶剂为正己烷和/或异丙醇；所述疏水化合物的用量为步骤(I)中水摩尔量的25～50％；所述步骤(III)中浸泡的时间为8～16h；所述步骤(III)中常压干燥的温度为40～65℃，时间为36～72h。
[0024]优选的，所述步骤(i)中，无机铝盐为硝酸铝和/或氯化铝；所述环氧化合物为环氧丙烷和/或环氧丁烷；所述无机铝盐、无水醇类溶剂、酰胺类化合物和环氧化合物的摩尔比为(0.8～1.2):(25～30):(0.50～0.72):(5.0～6.0)；
[0025]所述步骤(i)中酰胺类化合物包括二氯异氰脲酸、甲酰胺、乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种。
[0026]优选的，所述步骤(ii)中陈化的温度为35～50℃，时间为36～60h；在所述乙醇水溶液中浸泡的温度为50～70℃，浸泡次数为1～2次，单次浸泡的时间为12～36h；在所述无水乙醇中浸泡的温度为50～70℃，浸泡次数为1～3次，单次浸泡的时间为12～36h；在所述正硅酸乙酯乙醇溶液中浸泡的温度为50～70℃，浸泡次数为1～3次，单次浸泡的时间为12～36h；
[0027]所述步骤(ii)中常压干燥的温度为40～70℃，时间为36～72小时。
[0028]本发明还提供了上述方案所述制备方法制备的复合气凝胶隔热材料。
[0029]本发明还提供了上述方案所述复合气凝胶隔热材料在航空航天领域中的应用。[0030]本发明提供了一种复合气凝胶隔热材料的制备方法，本发明将SiO2气凝胶和Al2O3气凝胶混合后研磨，得到混合粉体，然后将所述混合粉体和水混合，将所得浆料置于模具中进行热固化，得到复合气凝胶隔热材料；其中SiO2气凝胶和Al2O3气凝胶均采用改进的溶胶-凝胶法制备得到。在制备SiO2醇凝胶过程中，以硅溶胶-水-乙醇为溶胶体系，通过加入酰胺类化合物，使溶胶体系的凝胶时间增加，改善所得气凝胶的形态结构，且通过正硅酸乙酯乙醇溶液对SiO2醇凝胶进行老化，提高凝胶的网络结构强度，通过疏水化合物改性使最终所得SiO2气凝胶具有疏水性，在使用过程中不易因吸水导致性能下降，本发明制备的SiO2气
凝胶微孔分布均匀，密度低，比表面积大，强度高；在制备Al2O3气凝胶时，以无机铝盐为铝源，采用环氧化合物的凝胶引发剂，以酰胺类化合物为干燥控制剂，制备得到网络结构均匀的Al2O3醇凝胶，再通溶剂替换使正硅酸乙酯与凝胶骨架上的羟基基团缩合，提高凝胶的结构强度，干燥后所得Al2O3气凝胶密度低、比表面积高、强度高、耐高温性能好。本发明采用改进的溶胶-凝胶法制备得到性能优异的SiO2气凝胶和Al2O3气凝胶，再通过SiO2气凝胶和Al2O3气凝胶的复合制备得到本发明的隔热材料，SiO2气凝胶对Al2O3气凝胶的均匀掺杂，将Al2O3气凝胶颗粒包覆，使得Al2O3气凝胶颗粒间的接触点减少，其高温颗粒扩散受到SiO2气凝胶颗粒的牵制，因而Al2O3气凝胶颗粒间表面/体扩散受到抑制，从而抑制Al2O3的高温烧结和α
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