本發(fā)明涉及極端條件下陶瓷纖維氣凝膠隔熱領(lǐng)域，具體涉及一種高各向異性熱導(dǎo)率的sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、碳化硅(sic)氣凝膠因其低密度、高度多孔結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的高溫?zé)岱€(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在航空航天、軍工等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)的sic氣凝膠通常表現(xiàn)出熱導(dǎo)率各向同性的特性，尚無法實(shí)現(xiàn)高各向異性熱導(dǎo)率，限制了其在極端條件下的定向隔熱應(yīng)用。許多天然生物材料具有有序微結(jié)構(gòu)，這些特殊的微結(jié)構(gòu)，其中許多是各向異性的，并表現(xiàn)出與方向相關(guān)的特殊高各向異性熱導(dǎo)率。但目前冷凍干燥技術(shù)被廣泛用于制備具有可控宏觀結(jié)構(gòu)的sic氣凝膠，但微觀結(jié)構(gòu)控制仍然具有挑戰(zhàn)性；其次，化學(xué)氣相沉積(cvd)常用于sic納米線制備，但其無序生長和纖維短的問題限制了其在構(gòu)建有序氣凝膠中的應(yīng)用。因此，亟需制備高各向異性熱導(dǎo)率的sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠和發(fā)展一種簡單高效控制高度定向、有序化碳化硅纖維生長的制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種高各向異性熱導(dǎo)率的sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠及其制備方法，該氣凝膠表現(xiàn)出各向異性的熱性能，其各向異性系數(shù)比高達(dá)5.08，并在極端條件下具有優(yōu)異的熱絕緣性能。

2、研究發(fā)現(xiàn)，靜電紡絲技術(shù)可以制備具有高取向性和連續(xù)性sic納米纖維，并將其作為構(gòu)建塊，通過冷凍干燥自組裝成氣凝膠。通過調(diào)控纖維的微觀結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建具有從微觀到宏觀的各向異性結(jié)構(gòu)，從而顯著降低氣凝膠的熱導(dǎo)率。

3、本方案致力于通過靜電紡絲制備高取向sic纖維，并在纖維表面引入sio2殼層，結(jié)合冷凍干燥技術(shù)，構(gòu)建具有高各向異性熱導(dǎo)率的sic@sio2纖維氣凝膠，以實(shí)現(xiàn)超低熱導(dǎo)率和優(yōu)異的熱絕緣性能。這種策略不僅提升了氣凝膠的隔熱性能，也為設(shè)計(jì)新型各向異性隔熱材料提供了新的思路。該研究關(guān)注點(diǎn)在于如何控制微觀結(jié)構(gòu)、界面特性和宏觀結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)更高效的熱管理。

4、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

5、本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種高各向異性熱導(dǎo)率的sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠的制備方法，包括以下步驟：

6、(1)將硅源溶解在溶劑中得到硅源溶液；將硅源溶液和聚乙烯吡咯烷酮溶液混合均勻得到碳化硅前驅(qū)體紡絲溶液；優(yōu)選的，硅源為固態(tài)聚碳硅烷(pcs)和液體聚碳硅烷(lpcs)以1:1.5～2:1的質(zhì)量比組成的混合物，pcs其分子量較高，陶瓷轉(zhuǎn)化率高，但導(dǎo)致溶液粘度較大，如果單獨(dú)使用pcs進(jìn)行靜電紡絲通常需要使用大量溶劑才能達(dá)到可紡性，這可能會導(dǎo)致紡絲困難，纖維直徑不均勻，以及最終碳化時(shí)殘留溶劑過多等問題。lpcs是液體狀態(tài)，分子量較低，具有較低的粘度，lpcs的流動性有助于纖維更好地成型，減少纖維中的缺陷，并可能形成更光滑的纖維表面。本發(fā)明將lpcs與pcs混合可以有效地降低溶液的整體粘度，使其更容易進(jìn)行靜電紡絲。此外，pcs和lpcs的協(xié)同作用可以產(chǎn)生具有高強(qiáng)度、均勻性好且表面光滑的纖維。本發(fā)明通過將pcs與lpcs混合，可以在可紡性和陶瓷產(chǎn)率之間取得平衡。pcs負(fù)責(zé)提供最終陶瓷材料的骨架，而lpcs則有助于形成良好的纖維形狀。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)兩種材料的比例來優(yōu)化最終sic纖維的產(chǎn)率和性能。溶劑選用四氫呋喃；聚乙烯吡咯烷酮溶液是將聚乙烯吡咯烷酮溶解在無水乙醇中獲得；

7、(2)利用定向靜電紡絲技術(shù)將碳化硅前驅(qū)體紡絲溶液制備成定向排列的sic纖維薄膜前驅(qū)體；所述定向靜電紡絲技術(shù)中使用的接收器為高速取向接收器；

8、(3)為了在高溫?zé)峤膺^程中獲得所需的結(jié)構(gòu)，對sic纖維薄膜前驅(qū)體進(jìn)行加熱實(shí)現(xiàn)預(yù)氧化，然后將預(yù)氧化后的sic纖維薄膜前驅(qū)體置于氬氣等惰性氣體氣氛環(huán)境中進(jìn)行高溫?zé)峤?，得到sic纖維膜，其具有高度取向的特點(diǎn)。優(yōu)選的，所述預(yù)氧化的溫度為180-210℃，時(shí)間為1-3h；所述高溫?zé)峤獾臏囟葹?400℃-1550℃，時(shí)間為1-3h。預(yù)氧化過程是為了去除紡絲膜中未完全揮發(fā)的有機(jī)溶劑，其次在適當(dāng)溫度(180-210℃)下進(jìn)行預(yù)氧化可以固化纖維，使其在后面高溫?zé)峤?1400℃-1550℃)中保持纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)(定向結(jié)構(gòu))。

9、(4)對sic纖維膜進(jìn)行氧化，以使其表面形成sio2殼層，在sic納米纖維表面引入薄的非晶態(tài)sio2殼層，可以有效地降低界面熱導(dǎo)率，形成聲子勢壘，進(jìn)一步提升氣凝膠的隔熱性能，得到sic@sio2纖維膜；優(yōu)選的，所述氧化的溫度為800-1200℃，時(shí)間為0.5～2h。

10、(5)將sic@sio2纖維膜浸漬在硅溶膠中并逐層堆疊，然后進(jìn)行冷凍干燥，得到高各向異性sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠。優(yōu)選的，所述硅溶膠為硼硅酸鋁硅溶膠。

11、本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供了一種高各向異性熱導(dǎo)率的sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠，其是根據(jù)本發(fā)明第一方面提供的制備方法制備所得。該陶瓷纖維氣凝膠具有高度定向結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是層與層之間沿同一方向?qū)R排列，并且每個(gè)單獨(dú)層內(nèi)都有高度定向的一維纖維結(jié)構(gòu)。得益于高度定向結(jié)構(gòu)，該氣凝膠表現(xiàn)出各向異性的熱性能，徑向(垂直sic@sio2纖維)熱導(dǎo)率極低，僅為0.018w/m-1k-1,軸向(平行sic@sio2纖維)熱導(dǎo)率高出了約5倍，為0.0914w/m-1k-1，其各向異性系數(shù)比高達(dá)5.08。此外，sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠兼具優(yōu)異的熱穩(wěn)定性(-196℃～1300℃)，并展現(xiàn)出高達(dá)60％的徑向可恢復(fù)應(yīng)變。

12、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

13、1、本發(fā)明中的高各向異性熱導(dǎo)率的sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠的制備方法是通過靜電紡絲結(jié)合冷凍干燥技術(shù)，成功制造出了高各向異性的sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠。該氣凝膠的各向異性結(jié)構(gòu)具有同方向逐層堆疊的排列層和每個(gè)獨(dú)立層內(nèi)高度取向的一維纖維，其制備簡單、原料易得，在一般化學(xué)實(shí)驗(yàn)室均能制得。易于推廣。

14、2、本發(fā)明中的sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠具有高的各向異性的熱性能，其各向異性系數(shù)比高達(dá)5.08，并能夠應(yīng)用在-196℃低溫和1300℃高溫環(huán)境中，具有優(yōu)異的耐高溫?zé)峤^緣性能；并且具有良好的徑向可壓縮變形，使其在航空航天和高溫工業(yè)等極端熱環(huán)境下具有廣闊的應(yīng)用前景，為高效熱管理提供了新途徑。

技術(shù)特征：

1.一種高各向異性熱導(dǎo)率的sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高各向異性熱導(dǎo)率的sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠的制備方法，其特征在于：步驟(1)中，所述硅源包括聚碳硅烷、液體聚碳硅烷中的至少一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高各向異性熱導(dǎo)率的sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠的制備方法，其特征在于：所述硅源為固態(tài)聚碳硅烷和液體聚碳硅烷以1:1.5～2:1的質(zhì)量比組成的混合物。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高各向異性熱導(dǎo)率的sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠的制備方法，其特征在于：步驟(2)中，所述定向靜電紡絲技術(shù)中使用的接收器為高速取向接收器。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高各向異性熱導(dǎo)率的sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠的制備方法，其特征在于：步驟(3)中，所述預(yù)氧化的溫度為180-210℃，時(shí)間為1-3h。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高各向異性熱導(dǎo)率的sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠的制備方法，其特征在于：步驟(3)中，所述高溫?zé)峤獾臏囟葹?400℃-1550℃，時(shí)間為1-3h。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高各向異性熱導(dǎo)率的sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠的制備方法，其特征在于：步驟(4)中，所述氧化的溫度為800-1200℃，時(shí)間為0.5-2h。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高各向異性熱導(dǎo)率的sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠的制備方法，其特征在于：步驟(5)中，所述硅溶膠為硼硅酸鋁硅溶膠。

9.一種高各向異性熱導(dǎo)率的sic@sio2陶瓷纖維氣凝膠，其特征在于：其是采用如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的制備方法制備所得。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種高各向異性熱導(dǎo)率的SiC@SiO<subgt;2</subgt;陶瓷纖維氣凝膠及其制備方法。該陶瓷纖維氣凝膠具有高度定向結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是層與層之間沿同一方向?qū)R排列，并且每個(gè)單獨(dú)層內(nèi)都有高度定向的一維纖維結(jié)構(gòu)。得益于高度定向結(jié)構(gòu)，該氣凝膠表現(xiàn)出各向異性的熱性能。此外，該陶瓷纖維氣凝膠兼具優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，并展現(xiàn)出高達(dá)60％的徑向可恢復(fù)應(yīng)變。該陶瓷纖維氣凝膠的制備方法包括：通過靜電紡絲制備高取向性SiC納米纖維，經(jīng)過熱處理在其表面形成非晶SiO<subgt;2</subgt;熱防護(hù)層，再經(jīng)冷凍干燥技術(shù)層層堆疊制備獲得，該陶瓷纖維氣凝膠的高度定向結(jié)構(gòu)與高各向異性熱導(dǎo)率的特點(diǎn)使其在極端隔熱領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。

技術(shù)研發(fā)人員：王振洋,張淑東,劉翠,李年,郭威
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8