一种碳化硅气凝胶及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于气凝胶技术领域，具体涉及一种碳化硅气凝胶及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 气凝胶通常指纳米量级颗粒相互聚集构成纳米多孔网络机构的轻质纳米固体材 料，骨架。颗粒直径1~20nm，孔隙尺寸2~1 OOnm，孔隙率高达90 %以上。特殊的结构使其同 时具备轻质和高效隔热两方面的优点，可广泛应用于热、光、声、电、力学等领域，受到科研 界和工业界的广泛关注，被誉为二十一世纪最具发展潜力的材料之一。目前研究的最多的 主要是Si02气凝胶和C气凝胶，Si0 2气凝胶及其复合材料在高于800°C使用时，隔热性能急 剧下降，而C气凝胶在空气气氛下>400°C使用易被氧化失效。二者均难以满足科技日益发 展提出的要求。碳化硅(SiC)材料具有优越的耐高温、抗氧化等性能，同时具备很好的红外 遮蔽效应，是一种潜在的高温使用气凝胶基材。CN103864076A公开了一种Si0 2气凝胶为模 板制备SiC气凝胶的方法，CN102910926A公开了一种块状碳化硅气凝胶材料及其方法，二者 均分别采用硅源和碳源形成共前驱体，继而经高温碳热还原反应（1400-1500°C)，制备条件 相对苛刻，后续纯化处理复杂、周期长、难度大，同时也导致碳化硅气凝胶材料收率相对较 低。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种碳化硅气凝胶。
[0004] 本发明的另一目的在于提供上述碳化硅气凝胶的制备方法。
[0005] 本发明的具体技术方案如下：
[0006] -种碳化硅气凝胶，其由结构中含有Si-H键的聚碳硅烷(PCS)、二乙烯基苯(DVB)、 Pt催化剂(~Pt)和有机溶剂通过聚合物先驱体转化制备陶瓷法和气凝胶制备法制得，其比 表面积为50~400m2/g，孔隙率为70~90 %，密度为0.1~0.2g/mL，其中聚碳硅烷和二乙烯 基苯的质量比为1:08~1.2，Pt催化剂为聚碳硅烷和二乙烯基苯总质量的0.1~0.5%。
[0007] 在本发明的一个优选实施方案中，所述聚碳硅烷为纯的聚碳硅烷或包含异质元素 元素的聚碳硅烷。
[0008] 在本发明的一个优选实施方案中，所述有机溶剂为环己烷、正己烷、乙腈和丙酮中 的至少一种。
[0009] -种上述碳化硅气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
[0010] (1)将聚碳硅烷、二乙烯基苯和Pt催化剂溶于有机溶剂中，配制成有机溶剂的体积 占比为70~95 %的稀溶液，进行硅氢加成聚合反应形成先驱体凝胶，硅氢加成聚合反应的 反应温度为140~210°C，反应时间为1~12h;
[0011]上述硅氢加成聚合反应原理如下：
[0012]
[0013] (2)将上述先驱体凝胶进行前处理和干燥后，得到先驱体气凝胶，其比表面积为 100~600m2/g，孔隙率为80~95 %，密度为0 · 05~0 · 15g/mL;
[0014] (3)将上述先驱体气凝胶进行热处理，得到所述碳化硅气凝胶，热处理为：在惰性 气氛下，将先驱体气凝胶于180~200 °C保温1~1.5h，再以1~12°C的速率升温至800~1400 C，并保温1~4h.。
[0015] 在本发明的一个优选实施方案中，所述硅氢加成聚合反应的反应温度为150~200 °C，反应时间为1~10h。
[0016] 在本发明的一个优选实施方案中，所述干燥为冷冻干燥、常压干燥或超临界干燥。
[0017] 进一步优选的，所述干燥为超临界干燥，所述前处理为将先驱体凝胶进行液态二 氧化碳置换孔隙中的有机溶剂。
[0018] 进一步优选的，所述干燥为常压干燥，所述前处理为将先驱体凝胶经过密封老化 后，用正己烷置换孔隙中的有机溶剂。
[0019] 在本发明的一个优选实施方案中，所述热处理为:在惰性气氛下，将先驱体气凝胶 于200 °C保温1 h，再以2~10 °C的速率升温至800~1350 °C，并保温1~3h。
[0020] 进一步优选的，还包括步骤(4):将步骤(3)所得的碳化硅气凝胶置于500~600°C、 空气气氛下脱碳1~2h，以提高其纯度。
[0021] 本发明的有益效果是：
[0022] 1、本发明利用聚合物先驱体转化制备陶瓷法制备SiC气凝胶，转化温度低至800 °C。所得SiC气凝胶含氧量低、纯度高、质量好，且气凝胶的孔隙率、密度等参数可控，工艺简 单可控。
[0023] 2、本发明制备的SiC气凝胶的理化性质稳定以及红外遮蔽效应，更适合用于高温 下的绝热保温。
[0024] 3、本发明的制备方法利用含异质元素的聚碳硅烷，亦可制得均匀掺杂的碳化硅气 凝胶材料，以用于特殊领域。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明所用PCS的红外光谱图。
【具体实施方式】
[0026] 以下通过【具体实施方式】结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
[0027] 实施例1
[0028] (1)将6.0g PCS(其红外光谱如图1所示)粉末溶解于94.0g环己烷中，配制浓度为 6.0%的PCS溶液;加入6.0g DVB和0.3g~Pt，搅拌均匀形成均相溶液，然后转移至反应釜中 的聚四氟乙烯罐中，进而转移到压力反应釜中，在150°C条件下进行硅氢加成聚合和交联反 应，反应时间5h，反应完成后，将反应釜及物料冷却至室温，得到先驱体凝胶；
[0029] (2)将先驱体凝胶转移至超临界干燥釜中，先通过液态二氧化碳置换1~3d，再经 超临界干燥(50°C，20MPa)，得到先驱体气凝胶；
[0030] (3)在惰性气氛下，先驱体气凝胶在200°C保温lh后，经过800°C (升温速度2°C/ min)热处理1~3h，得到无定型态SiC气凝胶，经1200°C处理，开始向-SiC气凝胶转变。
[0031] SiC气凝胶孔隙率~90%，比表面积~350m2/g，密度~120Kg/m3。
[0032] 实施例2
[0033]将实施例1中的原料PCS改用含异质元素聚碳硅烷PXCS(X包括铝、铁、钇等元素）， 遵循上述试验流程，可得含异质元素碳化硅气凝胶材料，用于特殊领域。
[0034] 实施例3
[0035] 常压干燥制备SiC气凝胶材料:将实施例