一种低密度超高温稳定的抗强烈辐射块体材料的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种低密度超高温稳定的抗强烈辐射块体材料的制备方法。具体步骤为：将琼脂溶于70℃以上的去离子水中，再将表面亲水的遮光剂粉体材料放入该溶液中搅拌混合均匀，后加入氧化硅水溶胶，然后倒入模具待降温后浇筑成型，进而进行冷冻干燥。450℃热处理除去琼脂后即得到密度低达0.18Kg/m3的耐高温低导热系数块体干凝胶。此外，利用此方法还可以解决粉体材料在基体材料中分散性能差的问题，制备出纤维复合块体材料。
【专利说明】一种低密度超高温稳定的抗强烈辐射块体材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种低密度耐超高温抗强烈辐射块体材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]航空航天、催化领域的发展对高温热防护提出了更高要求。目前热防护材料有碳基、树脂、陶瓷基等复合材料、无机隔热材料和涂层材料。其中，有机隔热材料和碳基材料都具有烧蚀特性，属损耗型热防护。陶瓷材料具有高温耐热性，但其密度较大，固体热导率难以降低，且制备过程需上千度高温，工艺较为繁琐。气凝胶材料由于具有独特的三维纳米颗粒骨架及介孔(2-50nm)为主的微观孔结构，能有效抑制固态热传导及气体对流传热，因此气凝胶具有优异的低温隔热阻燃性能，但随着温度升高，辐射热传导急剧增加，气凝胶隔热性能大幅度降低。另外，耐高温气凝胶的制备需要经过严格控制的乙醇超临界干燥过程，制备工艺复杂，高温高压的工艺条件有一定危险性，且能耗大。
[0003]金红石相氧化钛和钛酸钾晶须等材料都具有较好的红外阻隔特性，可用于降低高温下的辐射热导率。然而这些材料本身具有较大的密度，固体热传导较大，达不到低热导率的要求；在前人的研究中，将金红石相氧化钛粉末与气凝胶复合，以达到降低高温辐射热导率，同时保持低气固热传导的目的，取得一定进展。然而，氧化钛粉末在于气凝胶复合过程中极易沉降，造成复合不均匀，条件难以控制，而且利用气凝胶等材料作为复合基底达不到节能的目的。所以，探究简单廉价的方法制备具有低密度同时具有高温稳定性好、抗高温热辐射、低导热系数的材料具有其必要性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种低密度耐高温抗强烈辐射块体材料的制备方法。
[0005]本发明提出的低密度超高温稳定的抗强烈辐射块体材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下:
(1)将琼脂粉以2.5-3.5wt%的比例放入70-80°C热水中混合搅拌至均匀；
(2)将经亲水处理的钛白粉、钛酸钾晶须粉体材料放入步骤(I)所制备溶液中，搅拌40min至混合均勻；
(3)将氧化硅水溶胶pH值调至中性，加入步骤(2)所制备混合液中，搅拌20min至混合均匀；
(4)将步骤(3)得到的混合液倒入预先准备的模具中，待冷却后琼脂凝固，浇筑成型；
(5)冷却后的胶体材料放入冰箱中冷冻10h，再放入冷冻干燥设备中，在约-40°C条件下抽真空干燥30h，得到抗强烈辐射块体材料。
[0006]本发明中，步骤(2)将所需须制备的粉末材料进行亲水预处理，增加粉体表面羟基含量，从而提高粉体与水相容性以及促进制备过程中颗粒交联，从而在高温下使用时除去有机物后骨架得以保持。
[0007]本发明中，将具有纳米颗粒的氧化硅水溶胶与琼脂-遮光剂体系混合，得到的氧化硅颗粒起到了进一步将遮光剂颗粒交联的作用，同时改善了材料的均匀性和成型性，得到了纳米-亚微米颗粒复合的多孔块体。
[0008]本发明的有益效果在于:
I)利用琼脂在热水中溶化且保持较好粘性，降温后凝固的特点，可将粉体材料均匀分散于琼脂凝胶中。
[0009]2)在混合液中加入廉价易得的氧化硅水溶胶，能极大程度提高块体材料的交联成形性及稳定性。
[0010]3)对于颗粒较大容易沉降的粉体材料，可以采用将混合液快速降温凝固琼脂的方式固定大颗粒粉体，保持分散均匀性。
[0011]4)选用钛白粉、钛酸钾晶须作为块体制备材料，其具有较好的高温稳定性和阻隔红外辐射性，可将其应用于高温热防护系统。
[0012]5)将混合液注入纤维毡中，可实现粉体材料与纤维毡的均匀复合。
[0013]6)材料制备采用水作为溶剂，成本低廉，且与有机溶剂相比，保证了制备过程的安全性。制备所需要的原材料，如琼脂、氧化硅水溶胶等，成本低廉，安全环保；氧化钛、钛酸晶须等材料均为工业大规模生产所得，无需经过特殊工艺处理。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为实施例1样品图。
[0015]图2为实施例2样品照片及其SEM图。其中:(a)为样品照片，(b)为SEM图。
[0016]图3为实施例3样品照片及其SEM图。其中:(a)为样品照片，(b)为SEM图。
[0017]图4为实施例4样品照片及其SEM图。其中:(a)为样品照片，(b)为SEM图。
[0018]图5为实施例5光谱图。
[0019]图6为实施例6样品图。
[0020]图7为实施例7样品图。
[0021 ]图8为实施例8样品图。
【具体实施方式】
[0022]以下通过实施例对本发明作进一步说明，但这些实施例不得用于解释对本发明保护范围的限制。
[0023]实施例1:将琼脂以3%的比例放入70 V热水中混合搅拌至均匀。将经亲水处理的250nm粒径的金红石相氧化钛粉末材料放入上述所得溶液中，搅拌40min至混合均勻。将以上混合液倒入预先准备的模具中，待冷却后琼脂凝固，浇筑成型。冷却后的材料放入冰箱中冷冻10h，后放入冷冻干燥设备中，在-40°C条件下抽真空干燥30h，然后将上述得到的琼脂与氧化钛复合的样品经过450°C热处理除去琼脂，得到密度为0.16Kg/m3金红石氧化钛干凝胶块体。图1即为得到的样品照片。干燥后的样品保持了大致形状，但与干燥前相比有一定收缩，表面凹凸不平。
[0024]实施例2:本实施例与实施例1不同的是在琼脂与氧化钛粉末的混合液中加入一定量pH=7的氧化硅水溶胶。得到成型完整的密度为0.18 Kg/m3，孔隙率达90%的氧化钛-氧化硅多孔块体。图2即为得到的样品照片(a)及其SEM图(b)。样品成型性好，与干燥前相比基本无收缩，表面平整，孔分布均匀，集中为20nm和32 μ m两级孔，可见氧化硅溶胶的加入极大地改善了此块体材料的成型性。
[0025]实施例3:将实施例2得到的块体进行1200°C热处理lh，成形性保持完好，线收缩为3%.图3即为1200°C处理后样品的照片(a)及其SEM图(b)，可见样品保持了原始形貌，具有较好的高温稳定性。
[0026]实施例4:本实施例与实施例2不同的是采用直径为5-10 μ m,长度10_15 μ m的钛酸钾晶须。制备方法与实施例2相同。得到多孔钛酸钾晶须块体。图4即为所得样品照片(a)及其SEM (图)。得到的块体材料成型性好，表面平整，SEM图表明晶须与氧化硅实现了很好的复合，且晶须分布较为均匀。
[0027]实施例5:将实施例2与实施例4得到的样品以5wt%分散于溴化钾中，研磨均匀后压成厚度为0.3mm薄片，用傅里叶变换红外透射光谱仪(FTIR)测其光谱透过率。由图5可知，在2.5-5μπι波段，氧化钛和钛酸钾晶须的样品红外光透过率很低，其中，在2.5μπι处，5wt%的氧化钛和钛酸钾晶须样品的加入使溴化钾透过率分别下降49%和53%。根据黑体辐射定律，随着温度升高，辐射能量急剧增强，峰位向短波长移动，2.5 μ m处为100(TC辐射光能量最强的位置。故实施例2与实施例4中所得样品具有很好的抗高温强烈热辐射性能。
[0028]实施例6:将琼脂以3%的比例放入70 V热水中混合搅拌至均匀。将经亲水处理的250nm粒径的金红石相氧化钛粉末材料放入上述所制备琼脂溶液中，搅拌40分钟至混合均匀。将以上混合液倒入预先准备的莫来石纤维毡中，冷却浇筑成型。冷却后的材料放入冰箱中冷冻10h，后放入冷冻干燥设备中，在-40°C条件下抽真空干燥24h，再经过450°C热处理除去琼脂，得到密度为0.22Kg/m3氧化钛-纤维复合样品。图6为所得纤维复合样品，复合均匀，成型性好。
[0029]实施例7:本实施例与实施例6不同的是在琼脂与氧化钛粉末的混合液加入一定量pH=7的氧化硅水溶胶，混合均匀后再与纤维复合浇筑成型。得到金红石氧化钛-氧化硅-纤维复合样品。图7为将所得纤维复合样品经1200°C热处理Ih的样品照片，所得样品成型性好，表面平整，复合均匀，热处理过程基本无收缩，具有很好的耐高温性能。
[0030]实施例8:本实施例与实施例7不同的是，采用钛酸钾晶须与纤维复合浇筑成型。得到密度为0.25Kg/m3钛酸钾晶须-氧化硅-纤维复合样品。图8为将所得纤维复合样品经1200°C热处理Ih的样品照片，所得样品成型性好，表面平整均匀，热处理过程无收缩，高温稳定性能好。
【权利要求】
1.一种低密度超高温稳定的抗强烈辐射块体材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下: (1)将琼脂粉以2.5-3.5wt%的比例放入70-80°C热水中混合搅拌至均匀； (2)将经亲水处理的钛白粉、钛酸钾晶须粉体材料放入步骤(I)所制备溶液中，搅拌40min至混合均勻； (3)将氧化硅水溶胶pH值调至中性，加入步骤(2)所制备混合液中，搅拌20min至混合均匀； (4)将步骤(3)得到的混合液倒入预先准备的模具中，待冷却后琼脂凝固，浇筑成型； (5)冷却后的胶体材料放入冰箱中冷冻10h，再放入冷冻干燥设备中，在约-40°C条件下抽真空干燥30h，得到抗强烈辐射块体材料。
【文档编号】C04B14/38GK104291773SQ201410510564
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】沈军, 邹丽萍, 李晓光, 祖国庆, 杜艾, 王文琴, 连娅 申请人:同济大学