本發(fā)明屬于相變陶瓷纖維氣凝膠，具體涉及一種高溫相變隔熱陶瓷纖維氣凝膠及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著電動(dòng)航空器的快速發(fā)展，航空動(dòng)力電池系統(tǒng)面臨更嚴(yán)苛的使用環(huán)境和性能要求。在電動(dòng)航空器高空飛行、緊急加速等情況下，動(dòng)力電池容易出現(xiàn)過(guò)熱、熱失控等嚴(yán)重安全隱患。因此，如何有效管理航空動(dòng)力電池的熱量成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2、現(xiàn)有的電池?zé)峁芾矸桨钢饕ǎ阂后w冷卻、直冷技術(shù)等主動(dòng)冷卻方案和相變材料吸熱、熱管技術(shù)等被動(dòng)式方案。其中，相變材料因具有在相變溫度范圍內(nèi)吸收大量熱量的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在航空動(dòng)力電池?zé)峁芾碇姓宫F(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有的相變材料在實(shí)際應(yīng)用中仍存在以下不足：1）相變溫度區(qū)間不能完全滿足航空電池?zé)峁芾硇枨?，航空?dòng)力電池單個(gè)電芯熱失控產(chǎn)生的高溫（>800℃），5分鐘內(nèi)通過(guò)熱傳導(dǎo)迅速擴(kuò)散至整個(gè)電池組，高溫環(huán)境直接摧毀電池結(jié)構(gòu)，伴隨爆炸、毒氣、火災(zāi)等風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)發(fā)生，防控難度極大??，而目前相變材料相變溫度一般低于300℃，難以滿足航空動(dòng)力電池?zé)崾Э氐姆揽匾螅?）相變材料在高溫下結(jié)構(gòu)容易發(fā)生破損，易出現(xiàn)泄露等問(wèn)題，本身的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性能較差，不能承受電池使用過(guò)程中的高溫、振動(dòng)等極端載荷；3）相變材料與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的集成性亟需提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種高溫相變隔熱陶瓷纖維氣凝膠及其制備方法，以高強(qiáng)度、耐高溫的陶瓷纖維為基體，原位封裝高溫相變微膠囊，制備的高溫相變隔熱陶瓷纖維氣凝膠不僅可以發(fā)揮相變材料的熱量吸收功能，還能借助陶瓷纖維的優(yōu)異力學(xué)和耐熱性能來(lái)增強(qiáng)整個(gè)熱管理層的可靠性，可直接集成于航空動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，大幅提升電池在高空、高溫、高振動(dòng)等惡劣環(huán)境下的可靠性，在航空動(dòng)力電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

2、本發(fā)明目的采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明一方面公開了一種高溫相變隔熱陶瓷纖維氣凝膠的制備方法，步驟如下：

4、步驟1，將聚碳硅烷（pcs）和聚乙烯吡咯烷酮（pvp）加入到有機(jī)溶劑中混合攪拌至完全溶解，得到先驅(qū)體溶液；

5、步驟2，將高溫相變微膠囊分散到先驅(qū)體溶液中，攪拌至分散均勻，得到紡絲溶液；

6、步驟3，將所述紡絲溶液進(jìn)行靜電紡絲得到含高溫相變微膠囊的陶瓷先驅(qū)體纖維膜；

7、步驟4，將陶瓷先驅(qū)體纖維膜經(jīng)交聯(lián)固化、燒結(jié)得到高溫相變隔熱陶瓷纖維氣凝膠。

8、進(jìn)一步地，所述有機(jī)溶劑為n,n-二甲基甲酰胺（dmf）、四氫呋喃（thf）、異丙醇（ipa）的一種或多種。

9、進(jìn)一步地，步驟1中所述的聚碳硅烷（pcs）、聚乙烯吡咯烷酮（pvp）的質(zhì)量比為(1~2)：(1~2)：聚碳硅烷質(zhì)量與有機(jī)溶劑體積的比例為(1~2)g：(7~25)ml。

10、聚碳硅烷添加過(guò)少時(shí)，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，有機(jī)物揮發(fā)，聚碳硅烷高溫裂解生成碳化硅陶瓷，由于碳化硅陶瓷含量較低，在燒結(jié)之后，纖維網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有較好的碳化硅陶瓷支撐骨架，表現(xiàn)出機(jī)械脆性，纖維網(wǎng)絡(luò)塌陷。聚碳硅烷添加過(guò)多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部形成過(guò)多的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，影響陶瓷纖維的柔韌性，此外，還會(huì)引起纖維材料內(nèi)部界面處的應(yīng)力集中，降低纖維材料的力學(xué)性能。

11、聚乙烯吡咯烷酮，作為紡絲溶液中的助紡劑，當(dāng)含量過(guò)低時(shí)，嚴(yán)重影響紡絲溶液出絲效果，會(huì)出現(xiàn)溶液噴霧現(xiàn)象，接收器上并沒(méi)有絲狀纖維出現(xiàn)。當(dāng)含量過(guò)高時(shí)，陶瓷先驅(qū)體纖維膜經(jīng)燒結(jié)之后，有機(jī)物（聚乙烯吡咯烷酮作為主要有機(jī)物）揮發(fā)，陶瓷纖維網(wǎng)絡(luò)塌陷，纖維斷裂損傷，表現(xiàn)出纖維膜破損現(xiàn)象。

12、有機(jī)溶劑添加過(guò)少時(shí)，聚碳硅烷和聚乙烯吡咯烷酮在溶解過(guò)程，溶解不充分，會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚交聯(lián)、凝膠現(xiàn)象，導(dǎo)致先驅(qū)體溶液溶解失敗。有機(jī)溶劑添加過(guò)高時(shí)，導(dǎo)致溶液濃度過(guò)低，可能破壞聚合物分子鏈的伸展和取向，形成非連續(xù)纖維，表現(xiàn)為珠狀結(jié)構(gòu)或斷絲，此外，溶劑含量增加導(dǎo)致溶液黏度下降會(huì)削弱電場(chǎng)對(duì)射流的拉伸作用，導(dǎo)致纖維直徑分布不均，力學(xué)性能降低。??

13、進(jìn)一步地，步驟1中所述混合攪拌的時(shí)間為1~3?h。

14、進(jìn)一步地，所述聚碳硅烷的平均分子量為5000-8000?g/mol。

15、進(jìn)一步地，所述聚碳硅烷和高溫相變微膠囊的質(zhì)量比為（1~2）：（2~10）。

16、高溫相變微膠囊添加量過(guò)低時(shí)，纖維網(wǎng)絡(luò)中相變材料含量降低，嚴(yán)重影響相變陶瓷纖維相變吸熱性能，降低陶瓷纖維整體隔熱功能。高溫相變微膠囊添加量過(guò)多時(shí)，硅鋁合金相變微膠囊出現(xiàn)堆疊且纖維網(wǎng)絡(luò)中存在粘連情況，影響纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，造成纖維力學(xué)性能下降，此外，過(guò)多的添加相變微膠囊，會(huì)造成紡絲過(guò)程，針頭堵塞，削弱電場(chǎng)對(duì)射流的拉伸作用，導(dǎo)致纖維直徑分布不均。

17、進(jìn)一步地，步驟2中高溫相變微膠囊為硅鋁合金相變微膠囊，硅鋁合金相變微膠囊相變溫度為550~600?℃，相變焓值為400-500j/g。

18、進(jìn)一步地，步驟2中高溫相變微膠囊的制備方法為：將微米級(jí)硅鋁合金粉末浸漬于硅溶膠中，通過(guò)100~200℃熱處理2~4h，在顆粒表面形成二氧化硅殼層，得到二氧化硅包覆的硅鋁合金相變微膠囊，所述微米級(jí)硅鋁合金粉末、硅溶膠的質(zhì)量比為1：8~10。

19、進(jìn)一步地，步驟3中靜電紡絲的工藝參數(shù)為：紡絲電壓8~18?kv，噴絲頭和接收器滾筒之間的距離為10~20?cm，滾筒轉(zhuǎn)速為150~300?rpm，注射器流速為1~3?ml/h。

20、本技術(shù)的紡絲工藝在于，以聚碳硅烷作為先驅(qū)體、四氫呋喃作為有機(jī)溶劑、聚乙烯吡咯烷酮作為助紡劑的紡絲溶液，在該紡絲電壓、接收距離、注射器流速下，所制備的陶瓷先驅(qū)體纖維膜，結(jié)構(gòu)完整，經(jīng)燒結(jié)之后，表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和隔熱性能。工藝參數(shù)中，紡絲電壓對(duì)本技術(shù)結(jié)果的影響較大，紡絲電壓過(guò)高時(shí)，電場(chǎng)力超過(guò)聚合物溶液的表面張力，導(dǎo)致射流被過(guò)度拉伸，可能引發(fā)纖維斷裂或形成超細(xì)纖維，破壞纖維沉積的穩(wěn)定性，導(dǎo)致纖維表面粗糙或出現(xiàn)孔洞，此外，高強(qiáng)度電場(chǎng)使射流在飛行過(guò)程中加速分裂，形成多股射流，導(dǎo)致纖維在收集器上分布雜亂且粘連嚴(yán)重。紡絲?電壓不足時(shí)，電場(chǎng)力無(wú)法克服溶液表面張力，導(dǎo)致液滴無(wú)法形成泰勒錐，僅產(chǎn)生液滴噴射而非連續(xù)纖維，低電壓下射流拉伸不足，纖維直徑顯著增大，甚至形成不規(guī)則薄膜狀結(jié)構(gòu)，此外，電場(chǎng)強(qiáng)度不足導(dǎo)致射流速度減慢，單位時(shí)間內(nèi)纖維產(chǎn)量下降，且收集距離需縮短以維持纖維成型，進(jìn)一步限制工藝靈活性????。

21、進(jìn)一步地，步驟4中交聯(lián)固化的溫度為150℃~200℃，時(shí)間為1~2?h。

22、交聯(lián)固化溫度高于200℃時(shí)，部分聚合物在高溫下可能發(fā)生熱分解或熔融收縮，導(dǎo)致纖維表面粗糙、孔隙率降低，過(guò)度加熱可能破壞聚合物分子鏈的取向和結(jié)晶度，導(dǎo)致纖維膜抗拉強(qiáng)度降低、脆性增加?，高溫下溶劑快速揮發(fā)易形成內(nèi)部應(yīng)力集中，引發(fā)纖維膜開裂或分層?。交聯(lián)固化溫度低于150℃時(shí)，低溫導(dǎo)致溶劑殘留，纖維間易發(fā)生粘連，形成致密薄膜而非多孔結(jié)構(gòu)，降低透氣性和比表面積?，未完全揮發(fā)的溶劑可能腐蝕纖維膜，長(zhǎng)期存放后引發(fā)形變或力學(xué)性能衰減?，部分高結(jié)晶度聚合物在低溫下難以形成穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致纖維膜熱穩(wěn)定性差。??

23、進(jìn)一步地，所述燒結(jié)的制度為：在氮?dú)鈿夥障乱??℃/min的升溫速率加熱到800℃～1200℃并且保溫1~3?h。

24、加熱溫度低于800℃時(shí)，低溫（如＜800℃）下先驅(qū)體裂解不充分，殘留未反應(yīng)的聚合物或中間產(chǎn)物，導(dǎo)致纖維密度低且力學(xué)性能差，殘留有機(jī)物可能降低陶瓷纖維的抗氧化性和高溫穩(wěn)定性??，此外，未完全裂解的陶瓷先驅(qū)體纖維在后續(xù)高溫應(yīng)用中可能發(fā)生二次收縮或變形?。加熱溫度為1000℃時(shí)，先驅(qū)體裂解為非晶或微晶陶瓷，有較好的耐高溫性能，同時(shí)相變微膠囊結(jié)構(gòu)沒(méi)有破壞，均勻分布在纖維氣凝膠中。當(dāng)加熱溫度高于1200℃時(shí)，導(dǎo)致聚合物先驅(qū)體過(guò)度裂解，高溫加速原子遷移，使纖維內(nèi)部孔隙閉合，降低比表面積和吸附性能?，此外，高于1200℃時(shí)高溫裂解時(shí)纖維收縮率過(guò)高，易引發(fā)應(yīng)力集中，導(dǎo)致纖維斷裂或表面龜裂，晶粒粗化（如β-sic晶粒尺寸從50?nm增至200?nm）會(huì)削弱纖維的耐高溫性能。???

25、本發(fā)明另一方面公開了一種高溫相變隔熱陶瓷纖維氣凝膠，采用所述的制備方法制備而成，所述陶瓷纖維氣凝膠為高溫相變微膠囊原位封裝在陶瓷纖維網(wǎng)絡(luò)中的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.035~0.050?w·m-1·k-1。

26、本發(fā)明以先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法結(jié)合靜電紡絲工藝，將硅鋁合金相變微膠囊原位封裝入陶瓷纖維基體，得到了高溫相變隔熱陶瓷纖維氣凝膠。陶瓷纖維具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、抗沖擊性和耐高溫性能，結(jié)合高溫相變微膠囊形成梯度隔熱層，通過(guò)化學(xué)交聯(lián)增強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度，可在極端高溫環(huán)境下保持結(jié)構(gòu)完整性。當(dāng)航空動(dòng)力電池溫升至關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)，相變微膠囊吸收大量熱量，這種原位相變行為能夠有效抑制航空動(dòng)力電池的溫升速率和峰值溫度，有效延緩航空動(dòng)力電池升溫速度，為航空動(dòng)力電池?zé)崾Э仡A(yù)警提供緩沖時(shí)間，顯著改善航空動(dòng)力電池的安全性能。陶瓷纖維的低熱導(dǎo)率與相變材料的吸熱特性疊加形成的協(xié)同隔熱機(jī)制，顯著降低熱量向相鄰電芯的傳遞速率，提高了陶瓷纖維氣凝膠的整體熱管理效率。

27、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：

28、1.制備工藝簡(jiǎn)單：在單軸靜電紡絲制備纖維氣凝膠的過(guò)程中，將高溫相變微膠囊分散在紡絲溶液中，在紡絲過(guò)程中，通過(guò)工藝調(diào)控，將相變微膠囊成功分布在纖維氣凝膠網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)簡(jiǎn)單的單軸靜電紡絲技術(shù)即可成功構(gòu)筑高溫相變隔熱陶瓷纖維氣凝膠，該制備工藝簡(jiǎn)單快速，可以實(shí)現(xiàn)高效、大規(guī)模生產(chǎn)。

29、2.隔熱性能好：本發(fā)明的高溫相變隔熱陶瓷纖維氣凝膠具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)（0.035~0.050?w·m-1·k-1)，在高溫下具有良好的隔熱及熱穩(wěn)定性能，能夠有效阻擋熱量傳遞，減少因溫差引起的熱應(yīng)力，保持結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性，在航空動(dòng)力電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

30、3.相變吸熱溫度高：本發(fā)明的高溫相變隔熱陶瓷纖維氣凝膠，相變溫度區(qū)間為：550~600℃，能夠更好地滿足航空動(dòng)力電池?zé)峁芾淼臏囟刃枨?。電芯失控產(chǎn)生高溫（>800℃）時(shí)，相變微膠囊有效吸熱，減緩高溫蔓延，可抵抗熱沖擊，增強(qiáng)纖維使用壽命，既能夠在關(guān)鍵溫度下吸收大量熱量，又避免高溫?zé)醾鲗?dǎo)導(dǎo)致電池管理系統(tǒng)（bms）癱瘓，喪失電壓/溫度監(jiān)測(cè)能力，加速全系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象?，這種溫度匹配性有利于提高熱管理系統(tǒng)的整體性能和可靠性。