耐高温Si-C-O气凝胶复合材料组成、结构及其隔热机理研究

针对SiO2气凝胶耐温性较低问题，以改性的有机硅醇盐引入C源，采用溶胶-凝胶、超临界干燥和裂解工艺，制备耐更高温度的Si-C-O气凝胶；针对Si-C-O气凝胶强度低问题，以聚碳硅烷预氧化超细纤维棉为增强相，保持与气凝胶同步原位裂解，实现 SiC纤维的增强与遮挡红外辐射传热耦合匹配功能，获得耐高温、低热导、高强度的Si-C-O气凝胶隔热复合材料在航天飞行器和民用节能减排等领域具有应用价值。采用FT-IR、NMR、XPS、TEM、氮吸附、热导率测试等表征方法，研究不同工艺和环境（气氛、温度）下Si-C-O气凝胶组成（Si-C键、自由C及SiC纤维等）、结构（颗粒和孔径大小、分布等）和性能（耐温性、强度、热导率等）的演化规律，揭示裂解过程气凝胶基体及其与纤维界面的收缩匹配机制、明晰组成与结构对Si-C-O气凝胶耐温性和热导率的影响机制，对丰富气凝胶材料体系和深化其隔热机理具有重要的理论意义。

随着高超声速飞行器向长航时、高航速发展，其表面面临愈加恶劣的热环境，迫切需要研制一种能耐更高温度的轻质高效隔热材料来满足飞行器发展的需求。本项目以二甲基二乙氧基硅烷（DMDES），正硅酸乙酯（TEOS）为原料，乙醇（EtOH）为溶剂，去离子水（H2O）为水解原料，盐酸（HCl）为酸性催化剂，氨水（NH3•H2O）为碱性催化剂，经过溶胶-凝胶、老化、乙醇超临界干燥和裂解等工艺流程制备Si-C-O气凝胶，并对其工艺参数进行了优化，采用FT-IR、NMR、XPS、XRD、SEM、氮吸附法等表征Si-C-O气凝胶材料的组成和微观结构，获得了材料的微观结构，组成、比表面、孔径、粒径等物理参数；同时研究了超细SiC纤维增强Si-C-O气凝胶隔热复合材料的制备工艺，重点研究了裂解过程Si-C-O 气凝胶的微观结构转化以及纤维增强气凝胶复合材料的界面收缩匹配机制、耐高温机制、隔热机制，分析了不同温度条件下材料的耐温性能、隔热性能及力学性能的变化，掌握了温度对材料结构和性能的影响规律。获得的Si-C-O气凝胶复合材料在800℃、900℃、1000℃下热导率分别为0.0319W/m•K、0.0378W/m•K、0.0430W/m•K，Si-C-O气凝胶复合材料1000℃时压缩强度为1.136 MPa (10%ε)；相对于SiO2气凝胶隔热材料的耐温性（800℃），该材料具有更高的耐温性能。.为了进一步掌握Si-C-O 气凝胶材料组成、结构及性能控制实现方法，采用甲基三甲氧基硅烷为硅源、二甲基二乙氧基硅烷为碳源，通过工艺参数优化，制备了Si-C-O 气凝胶隔热材料。该Si-C-O气凝胶复合材料在1500℃处理30min后，质量损失率为0.01%；材料的热导率为0.181W/m•K，通过改变原料组合，进一步提高Si-C-O 气凝胶材料的耐温性能。.在此基础上，向Si-C-O 气凝胶体系中引入B原子，制备了SiBCO气凝胶及其隔热复合材料，该材料具有更高的耐温性能和更低的高温热导率，经过1500 ℃高温环境测试，材料的比表面积仍可达222.16 m2/g，常温热导率仅为0.138 W/m•K。.本研究对于丰富Si-C-O体系陶瓷理论和深化气凝胶材料的高效隔热机理具有重要的学术价值，对满足民用节能减排以及航天飞行器对高性能隔热材料的需求具有重要现实意义。