一种具备电磁屏蔽功能的超轻质高强度气凝胶材料及其制备方法与流程

本发明涉及气凝胶制备技术及功能领域，尤其涉及一种具备电磁屏蔽功能的超轻质高强度气凝胶材料及其制备方法。

背景技术：

1、电磁信号之间的干扰和混乱已成为当今5g无线通信时代的首要挑战，研发有效、屏蔽高、低频电磁干扰的高性能电磁屏蔽材料已成为当前的研究热点。未来电磁屏蔽材料将朝着轻质化、宽频高效吸收、耐高温、力学性能好等方向发展。传统的金属电磁屏蔽材料对高、低频电磁场以及静电场都有很好的屏蔽效果；但金属的其密度大、易腐蚀、不易加工等缺点明显，应用局限性较大。导电聚合物电磁屏蔽材料具有优异的电磁屏蔽性能，但是不耐高温，密度较高。气凝胶材料是一种分散介质为气体的凝胶材料，孔隙率高达80～99.8％，密度可低达3kg/m3，室温导热系数可低达0.012w/m·k，具备低密度和隔热耐温能力，在用作高性能电磁屏蔽复合材料的基体材料方面具有巨大的潜力。

2、但是传统气凝胶材料大多为纳米颗粒堆积成的珍珠项链状结构，这种结构的气凝胶材料表现为脆性，在较大的机械应力或热冲击下，往往会发生严重的强度退化和结构崩溃。使用纳米纤维材料代替纳米颗粒，纳米线气凝胶由具有高纵横比的纳米线组成，在具有耐高温性能的同时具有优异的力学性能。虽然具有优异力学强度的纳米线气凝胶可以降低屏蔽材料的密度和成本，有利于提升吸波性能，减少电磁波因二次反射引起的污染，但是纳米线气凝胶材料导电性能差，几乎不具备电磁屏蔽效能。因此，开发具有轻质、耐高温、高效电磁屏蔽的气凝胶材料是至关重要的。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种具备电磁屏蔽功能的超轻质高强度气凝胶材料及其制备方法和应用。

2、本发明在第一方面提供了一种具备电磁屏蔽功能的超轻质高强度气凝胶材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

3、(1)将氧化钛纳米粉、碱性溶液和碳纳米管分散液混合于去离子水中，通过搅拌和超声处理得到混合液；

4、(2)将上述混合液置于密闭容器中进行水热反应，得到半固体状的凝胶块；

5、(3)将上述凝胶块浸渍于酸性溶液中进行酸洗，对酸洗后的凝胶块进行水洗；

6、(4)将步骤(3)得到的凝胶块进行溶剂置换过程和超临界干燥步骤，制得纳米线气凝胶；

7、(5)对上述纳米线气凝胶进行热处理；

8、(6)将热处理后的纳米线气凝胶块进行气相疏水过程，制得超疏水的超轻质纳米线气凝胶材料。

9、进一步地，步骤(1)的具体步骤为：将直径为10-100nm的氧化钛纳米粉溶解在水中，加入浓度为10m的氢氧化钠溶液，然后加入碳纳米管分散液，纳米粉占混合液的质量分数为0.5％-10％，碳纳米管占混合液的质量分数为4％-8％。混合后用均质分散机中搅拌60min。

10、进一步地，步骤(2)将上述混合液置于密闭容器中进行150-300℃下水热反应1-48h，得到半固体状的凝胶块。

11、进一步地，步骤(2)包括：将混合液倒入到聚四氟乙烯容器，并装入反应釜中，放在150-300℃的烘箱中保温1-48h，保温结束后得到钛酸钠纳米线湿凝胶。该反应需要保证在全密闭条件下进行，容器材质需要保证不与体系发生反应的聚合物材质。

12、进一步地，步骤(3)包括：将上述凝胶块置于酸性溶液(ph为1-5)中，凝胶块与酸性溶液的体积比为1:1-1:10，浸泡6-72h。将凝胶块浸渍到溶液中，液面没过凝胶块。随后对酸洗后的凝胶块进行水洗，凝胶块与水的体积比为1:5-1:20，时间为5-72h。

13、进一步地，步骤(3)具体步骤为：将凝胶块放入浓度为0.1mol/l的稀硝酸溶液中，溶液体积浸没凝胶快，保证充分置换的环境，浸泡时间保证48h以上。

14、进一步地，步骤(4)的具体步骤为：溶剂置换采用乙醇作为溶剂，按照凝胶块体积的10倍进行置换3次后，进行二氧化碳超临界干燥过程。超临界干燥的温度为20-60℃，压力为10-16mpa。

15、进一步地，步骤(5)所述热处理，处理条件为空气气氛下，处理温度为600-1000℃，处理时间为0.5-2h。

16、进一步地，步骤(6)的具体步骤为：把纳米线气凝胶放置于自制的有疏水试剂的气相疏水罐中进行气相疏水过程。做疏水处理可以防止气凝胶因吸附水份而影响电磁屏蔽功能。

17、进一步地，所述气相疏水的温度为100-150℃，时间为48-72h。

18、本发明在第二方面提供了由本发明在第一方面所述的制备方法制得的具备电磁屏蔽功能的超轻质高强度气凝胶材料。

19、本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：

20、(1)本发明与传统金属电磁屏蔽材料相比，具有低密度、不易腐蚀、易加工等明显的优点。

21、(2)本发明与导电聚合物电磁屏蔽材料相比，具有低密度、低导热系数和耐高温加工等明显的优点。

22、(3)本发明制备的气凝胶材料具有一维碳纳米管和一维纳米线构筑的蜂窝状结构，不仅具有导电网络，还大大延长电磁波的传输路径，具有提升的电磁屏蔽性能。

23、(4)本发明与传统珍珠项链状气凝胶材料相比，具有更佳的力学强度，微观结构由纳米线互相缠绕组成，构筑更多的节点，即使是纯气凝胶仍然具有良好的强韧性。

24、(5)本发明制备的气凝胶材料密度可低至0.016g/cm3，相比于其它相同强度的低密度气凝胶材料，具有超轻质的特性。

25、(6)本发明气凝胶的制备方法中凝胶过程是一个水热过程，与传统的rtm打压注胶工艺不同，不受增强体的形状和尺寸限制，可以制备任意形状和厚度的气凝胶材料。

26、(7)本发明制备过程中从凝胶、后处理过程至超临界干燥得到的气凝胶材料无任何尺寸收缩，可以实现产品的净尺寸成型，避免了机械加工过程带来的成本和周期增加的问题。

27、(8)本发明采用碱性的水相作为反应介质，使得功能化的碳纳米管具有良好的分散性，解决了碳纳米管容易团聚的问题。

28、(9)本发明制备的气凝胶材料的基本结构是纳米线结构，具有自支撑效果，较传统溶液-凝胶法制备的气凝胶材料的具有更高的耐温等级。

29、(10)本发明制备的气凝胶材料的由具有高纵横比的纳米线组成，氢键力等强超分子相互作用对相邻纳米线连接处的连接强度有显著贡献，较传统溶液-凝胶法制备的由纳米颗粒堆积成的珍珠项链状结构，具有不掉粉的特性。

30、(11)本发明可以采用水相作为反应介质，制备过程中避免了使用有机溶剂造成的环境污染和浪费。

31、(12)本发明方法制备的气凝胶材料在保持小于0.025w/m·k的低热导率的前提下，还具有优异的耐高温性能，可以实现长时800℃的隔热应用。

技术特征：

1.一种具备电磁屏蔽功能的超轻质高强度气凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将氧化钛纳米粉、碱性溶液和碳纳米管分散液混合于去离子水中，包括：将直径为10-100nm的氧化钛纳米粉溶解在水中，加入浓度为10m的氢氧化钠溶液，然后加入碳纳米管分散液，氧化钛纳米粉占混合液的质量分数为0.5％-10％，碳纳米管占混合溶液的质量分数为4％-8％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将混合液置于密闭容器中进行水热反应，是将混合液置于密闭容器中进行150-300℃下水热反应1-48h，得到半固体状的凝胶块。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将混合液置于密闭容器中进行水热反应，是将混合液倒入到聚四氟乙烯容器，并装入反应釜中，放在150-300℃的烘箱中保温1-48h，保温结束后得到钛酸钠纳米线湿凝胶。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将凝胶块浸渍于酸性溶液中进行酸洗，对酸洗后的凝胶块进行水洗，包括：将凝胶块置于ph为1-5的酸性溶液中，凝胶块与酸性溶液的体积比为1:1-1:10，浸泡6-72h；随后对酸洗后的凝胶块进行水洗，凝胶块与水的体积比为1:5-1:20，时间为5-72h。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶剂置换过程采用乙醇作为溶剂，按照凝胶块体积的10倍进行置换3次。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超临界干燥的温度为20-60℃，压力为10-16mpa。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理的处理气氛为空气气氛，处理温度为600-1000℃，处理时间为0.5-2h。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气相疏水的温度为100-150℃，时间为48-72h。

10.根据权利要求1～9中任一项所述方法制备的具备电磁屏蔽功能的超轻质高强度气凝胶材料。

技术总结
本发明涉及一种具备电磁屏蔽功能的超轻质高强度气凝胶材料及其制备方法，所述方法为：将氧化钛纳米粉、碱性溶液和碳纳米管分散液混合于去离子水中，通过搅拌和超声处理得到混合液；将混合液置于密闭容器中进行水热反应，得到半固体状的凝胶块；将凝胶块浸渍于酸性溶液中进行酸洗，对酸洗后的凝胶块进行水洗；将水洗后的凝胶块进行溶剂置换过程和超临界干燥步骤，制得纳米线气凝胶；对纳米线气凝胶进行热处理；将热处理后的纳米线气凝胶块进行气相疏水过程，制得超疏水的超轻质纳米线气凝胶材料。本制备方法可得到一种具备电磁屏蔽功能的超轻质、高强度、高效隔热的碳掺杂的二氧化钛纳米线气凝胶材料。

技术研发人员：程飘,张昊,张恩爽,李文静,廖亚龙,周彤辉,刘韬,赵英民
受保护的技术使用者：航天特种材料及工艺技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25