一種碳化硅氣凝膠及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣凝膠技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳化硅氣凝膠及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣凝膠通常指納米量級顆粒相互聚集構(gòu)成納米多孔網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)的輕質(zhì)納米固體材 料，骨架。顆粒直徑1~20nm，孔隙尺寸2~1 OOnm，孔隙率高達(dá)90 %以上。特殊的結(jié)構(gòu)使其同 時具備輕質(zhì)和高效隔熱兩方面的優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于熱、光、聲、電、力學(xué)等領(lǐng)域，受到科研 界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，被譽為二十一世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ牟牧现?。目前研究的最多?主要是Si02氣凝膠和C氣凝膠，Si0 2氣凝膠及其復(fù)合材料在高于800°C使用時，隔熱性能急 劇下降，而C氣凝膠在空氣氣氛下>400°C使用易被氧化失效。二者均難以滿足科技日益發(fā) 展提出的要求。碳化硅(SiC)材料具有優(yōu)越的耐高溫、抗氧化等性能，同時具備很好的紅外 遮蔽效應(yīng)，是一種潛在的高溫使用氣凝膠基材。CN103864076A公開了一種Si0 2氣凝膠為模 板制備SiC氣凝膠的方法，CN102910926A公開了一種塊狀碳化硅氣凝膠材料及其方法，二者 均分別采用硅源和碳源形成共前驅(qū)體，繼而經(jīng)高溫碳熱還原反應(yīng)（1400-1500°C)，制備條件 相對苛刻，后續(xù)純化處理復(fù)雜、周期長、難度大，同時也導(dǎo)致碳化硅氣凝膠材料收率相對較 低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種碳化硅氣凝膠。
[0004] 本發(fā)明的另一目的在于提供上述碳化硅氣凝膠的制備方法。
[0005] 本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：
[0006] -種碳化硅氣凝膠，其由結(jié)構(gòu)中含有Si-H鍵的聚碳硅烷(PCS)、二乙烯基苯(DVB)、 Pt催化劑(~Pt)和有機(jī)溶劑通過聚合物先驅(qū)體轉(zhuǎn)化制備陶瓷法和氣凝膠制備法制得，其比 表面積為50~400m2/g，孔隙率為70~90 %，密度為0.1~0.2g/mL，其中聚碳硅烷和二乙烯 基苯的質(zhì)量比為1:08~1.2，Pt催化劑為聚碳硅烷和二乙烯基苯總質(zhì)量的0.1~0.5%。
[0007] 在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所述聚碳硅烷為純的聚碳硅烷或包含異質(zhì)元素 元素的聚碳硅烷。
[0008] 在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所述有機(jī)溶劑為環(huán)己烷、正己烷、乙腈和丙酮中 的至少一種。
[0009] -種上述碳化硅氣凝膠的制備方法，包括如下步驟：
[0010] (1)將聚碳硅烷、二乙烯基苯和Pt催化劑溶于有機(jī)溶劑中，配制成有機(jī)溶劑的體積 占比為70~95 %的稀溶液，進(jìn)行硅氫加成聚合反應(yīng)形成先驅(qū)體凝膠，硅氫加成聚合反應(yīng)的 反應(yīng)溫度為140~210°C，反應(yīng)時間為1~12h;
[0011]上述硅氫加成聚合反應(yīng)原理如下：
[0012]
[0013] (2)將上述先驅(qū)體凝膠進(jìn)行前處理和干燥后，得到先驅(qū)體氣凝膠，其比表面積為 100~600m2/g，孔隙率為80~95 %，密度為0 · 05~0 · 15g/mL;
[0014] (3)將上述先驅(qū)體氣凝膠進(jìn)行熱處理，得到所述碳化硅氣凝膠，熱處理為：在惰性 氣氛下，將先驅(qū)體氣凝膠于180~200 °C保溫1~1.5h，再以1~12°C的速率升溫至800~1400 C，并保溫1~4h.。
[0015] 在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所述硅氫加成聚合反應(yīng)的反應(yīng)溫度為150~200 °C，反應(yīng)時間為1~10h。
[0016] 在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所述干燥為冷凍干燥、常壓干燥或超臨界干燥。
[0017] 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述干燥為超臨界干燥，所述前處理為將先驅(qū)體凝膠進(jìn)行液態(tài)二 氧化碳置換孔隙中的有機(jī)溶劑。
[0018] 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述干燥為常壓干燥，所述前處理為將先驅(qū)體凝膠經(jīng)過密封老化 后，用正己烷置換孔隙中的有機(jī)溶劑。
[0019] 在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所述熱處理為:在惰性氣氛下，將先驅(qū)體氣凝膠 于200 °C保溫1 h，再以2~10 °C的速率升溫至800~1350 °C，并保溫1~3h。
[0020] 進(jìn)一步優(yōu)選的，還包括步驟(4):將步驟(3)所得的碳化硅氣凝膠置于500~600°C、 空氣氣氛下脫碳1~2h，以提高其純度。
[0021] 本發(fā)明的有益效果是：
[0022] 1、本發(fā)明利用聚合物先驅(qū)體轉(zhuǎn)化制備陶瓷法制備SiC氣凝膠，轉(zhuǎn)化溫度低至800 °C。所得SiC氣凝膠含氧量低、純度高、質(zhì)量好，且氣凝膠的孔隙率、密度等參數(shù)可控，工藝簡 單可控。
[0023] 2、本發(fā)明制備的SiC氣凝膠的理化性質(zhì)穩(wěn)定以及紅外遮蔽效應(yīng)，更適合用于高溫 下的絕熱保溫。
[0024] 3、本發(fā)明的制備方法利用含異質(zhì)元素的聚碳硅烷，亦可制得均勻摻雜的碳化硅氣 凝膠材料，以用于特殊領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明所用PCS的紅外光譜圖。
【具體實施方式】
[0026] 以下通過【具體實施方式】結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步的說明和描述。
[0027] 實施例1
[0028] (1)將6.0g PCS(其紅外光譜如圖1所示)粉末溶解于94.0g環(huán)己烷中，配制濃度為 6.0%的PCS溶液;加入6.0g DVB和0.3g~Pt，攪拌均勻形成均相溶液，然后轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中 的聚四氟乙烯罐中，進(jìn)而轉(zhuǎn)移到壓力反應(yīng)釜中，在150°C條件下進(jìn)行硅氫加成聚合和交聯(lián)反 應(yīng)，反應(yīng)時間5h，反應(yīng)完成后，將反應(yīng)釜及物料冷卻至室溫，得到先驅(qū)體凝膠；
[0029] (2)將先驅(qū)體凝膠轉(zhuǎn)移至超臨界干燥釜中，先通過液態(tài)二氧化碳置換1~3d，再經(jīng) 超臨界干燥(50°C，20MPa)，得到先驅(qū)體氣凝膠；
[0030] (3)在惰性氣氛下，先驅(qū)體氣凝膠在200°C保溫lh后，經(jīng)過800°C (升溫速度2°C/ min)熱處理1~3h，得到無定型態(tài)SiC氣凝膠，經(jīng)1200°C處理，開始向-SiC氣凝膠轉(zhuǎn)變。
[0031] SiC氣凝膠孔隙率~90%，比表面積~350m2/g，密度~120Kg/m3。
[0032] 實施例2
[0033]將實施例1中的原料PCS改用含異質(zhì)元素聚碳硅烷PXCS(X包括鋁、鐵、釔等元素）， 遵循上述試驗流程，可得含異質(zhì)元素碳化硅氣凝膠材料，用于特殊領(lǐng)域。
[0034] 實施例3
[0035] 常壓干燥制備SiC氣凝膠材料:將實施例