一种C/ZrO2纳米纤维及其制备方法和应用

本申请涉及高温隔热纤维，特别是涉及一种c/zro2纳米纤维及其制备方法和应用。

背景技术：

1、新一代高速飞行器在大气层中高速飞行时受到严重的气动加热，飞行器承受的热环境极为恶劣。新一代高速飞行器的研制和发展对具有良好耐高温和高温隔热性能的材料提出了迫切需求。

2、碳纳米纤维具有较好的红外遮蔽性能和惰性气氛中优异的耐高温性能，在高温隔热领域具有显著优势。但由于碳纳米纤维自身固体热导率较高，且在含氧气氛中抗氧化性能不佳，这极大地限制了其在高温隔热领域的实际应用。目前，通过制备细直径碳纳米纤维、中空或多孔结构碳纳米纤维及将碳纳米纤维组装为具有三维结构的碳纳米纤维气凝胶，在一定程度提高了碳纳米纤维的隔热性能。但现有的碳纳米纤维隔热材料还存在以下两点不足：1、纤维抗氧化不佳，有氧环境中使用温度较低；2、纤维的高温隔热性能不佳。

技术实现思路

1、本发明提供一种c/zro2纳米纤维及其制备方法和应用，用于克服现有技术中碳纳米纤维抗氧化性能和高温隔热性能不佳等缺陷。

2、为实现上述目的，本发明提出一种c/zro2纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、将聚丙烯腈和锆源加入溶剂中混合搅拌，得到纺丝先驱体溶液；

4、s2、对纺丝先驱体溶液进行静电纺丝，得到先驱体纤维；

5、s3、在空气气氛下，对先驱体纤维进行加热不熔化处理；

6、s4、在惰性气氛下，对步骤s3得到的先驱体纤维进行烧成，冷却至室温，得到c/zro2纳米纤维。

7、本发明还提供了一种c/zro2纳米纤维，由上述制备方法制得，纳米纤维中锆元素含量为0.1～30wt％；纳米纤维的直径小于1μm。

8、为实现上述目的，本发明还提出一种c/zro2纳米纤维的应用，将上述制备方法制得的纳米纤维或者上述纳米纤维应用于高温隔热领域。

9、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

10、1、本发明提供c/zro2纳米纤维的制备方法，首先选取成本低廉的聚丙烯腈和锆源为原料，将原料溶解在溶剂中得纺丝先驱体溶液，然后将纺丝溶液在合适的工艺条件下进行静电纺丝得到先驱体纤维，再对先驱体纤维进行不熔化处理和高温烧成。在高温烧成过程中，聚丙烯腈分子会发生碳化反应，转化为碳，锆源分子会发生无机化转变，形成zro2纳米晶，最终得到碳包裹着大量zro2纳米晶的c/zro2纳米纤维。由于zro2自身固体热导率较低，在碳纳米纤维中分散大量的zro2纳米晶可有效阻碍碳纳米纤维中的固体热传导。同时，碳材料与zro2纳米晶形成的大量相界面也有助于增强界面-声子散射，使得纤维固体热传导降低。以上两方面都有利于提高纤维的隔热性能。此外，zro2具有较好的抗氧化性能，zro2纳米晶可以阻止含氧气氛扩散进入纤维内部，有利于提高纤维的抗氧化性能。

11、2、由高温热传输原理可知，高温条件下辐射传热是主要的热传输方式，虽然然氧化锆固体热导率低，但其在近红外波段范围内红外透过性强，其高温热导率较高，高温隔热性能不佳。虽然碳材料固体热导率比氧化锆高，但其红外消光系数高，可有效降低红外辐射传热，在高温隔热领域具有优势。本方案旨在利用这一点创制高温隔热纤维。在本方案中加入氧化锆有两方面的目的：一方面，氧化锆固体热导率低，加入碳纳米纤维中可以阻断碳纳米自身固体热传导，有助于降低固体热导率；另一方面，氧化锆强度和硬度较高，在纤维中氧化锆纳米颗粒可以有效阻碍裂纹的扩展，有利于纤维力学性能提高。因此，本方案提出将高红外遮蔽的碳与低固体热导率的氧化锆结合，开发新型高温隔热材料。本方案还可协同提高隔热性能和力学性能。

12、3、本发明提供的制备方法所用原料成本低廉，工艺路线简单。

13、4、本发明制备得到的c/zro2纳米纤维强度高(纤维膜强度2～6mpa)、柔性好、直径较细(<1μm)、比消光系数高(600～1000m2/kg)，具有良好的抗氧化性能和高温隔热性能的特点。

技术特征：

1.一种c/zro2纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，聚丙烯腈、锆源和溶剂的质量比为(1～20):(1～5):(1～10)。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，聚丙烯腈的分子量为50000～300000。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，锆源为乙酸锆、乙酰丙酮锆、碳酸锆、氯氧化锆、硫酸锆和正丁醇锆中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，溶剂为n’n-二甲基甲酰胺、氯仿、四氢呋喃和二甲苯中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，静电纺丝所需纺丝针头内径为0.2～1.5mm，纺丝电压6～30kv，收丝距离6～40cm，推液速率0.1～5ml·h-1，纺丝温度为20～50℃，空气相对湿度为20～80rh％。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s3具体为，将先驱体纤维置于高温炉中，在空气气氛中以0.5～10℃·min-1的升温速率升温至150～300℃，保温0.5～20h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s4具体为，将步骤s3得到的先驱体纤维置于高温炉中，在惰性气氛下，以1～20℃·min-1的升温速率升温至600～1800℃，保温0.5～20h，冷却至室温，得到c/zro2纳米纤维。

9.一种c/zro2纳米纤维，其特征在于，由权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到；所述纳米纤维中锆元素含量为0.1～30wt％；所述纳米纤维的直径小于1μm。

10.一种c/zro2纳米纤维的应用，其特征在于，将权利要求1～8任一项所述制备方法制得的纳米纤维或者权利要求9所述纳米纤维应用于高温隔热领域。

技术总结
本发明公开了一种C/ZrO<subgt;2</subgt;纳米纤维及其制备方法和应用，该方法首先选取成本低廉的聚丙烯腈和锆源为原料，将原料溶解在溶剂中得到纺丝先驱体溶液。然后将纺丝先驱体溶液在合适的工艺条件下进行静电纺丝，得到先驱体纳米纤维。再将先驱体纳米纤维置于高温炉中进行不熔化处理。最后，将不熔化处理后的纳米纤维进行高温烧成，得到C/ZrO<subgt;2</subgt;纳米纤维。本发明制备C/ZrO<subgt;2</subgt;纳米纤维所用原料成本低廉，工艺路线简单；所得C/ZrO<subgt;2</subgt;纳米纤维结构致密、形貌均匀、直径较细，具有较高的强度，较好的柔性，良好的红外遮蔽和高温隔热性能的特点。

技术研发人员：张晓山,韩成,王兵,张培垣,王冲,魏世豪,王应德,邵长伟,王小宙,苟燕子,龙鑫
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31