碳化硅气凝胶网络结构生长演变机制及调控研究

The research on high-performance aerogel thermal insulation materials is significant to aerospace technology and energy conservation and emission reduction. Silicon carbide aerogel is promisingly used as a new generation of high-performance thermal insulation material, due to its better thermal resistance relative to traditional oxide aerogels. However, macropores in silicon carbide adverse to the heat-insulating property. Therefore, how to control of the network is the key to develop high-performance silicon carbide aerogel insulation. In this proposal, we claim that the study on formation and evolution mechanism of the network of silicon carbide aerogel could solve this issue effectively. Facile autocatalytic one-step sol-gel process and carbothermal reduction technique is used to synthesize silicon carbide aerogel. Based on the investigation of reaction mechanism, structure characterizations and property measurements, the formation and evolution mechanism, and its control method could be clarified. The structure and properties of silicon carbide aerogel should meet the following parameters: mesoporous specific surface area above 400m2/g; mesopore volume above 2.6cm3/g; porosity above 92%; thermal stability in air above 1200˚C; thermal conductivity at room temperature (20˚C), 1000˚C and 1200˚C below 0.026, 0.10 and 0.16W/(m∙K), respectively.

高性能气凝胶隔热材料的开发对航空航天科技的发展和节能减排意义重大。由于比传统氧化硅气凝胶具有更高的耐温性，碳化硅气凝胶有望成为新一代高性能隔热材料。然而，碳化硅气凝胶网络结构中的大孔会严重影响其隔热性能。如何调控其网络结构是高性能碳化硅气凝胶隔热材料研究的关键。本研究提出的碳化硅气凝胶网络结构生长演变机制和控制研究是解决这一问题的有效方法。采用自催化一步溶胶-凝胶和高温碳热还原工艺制备碳化硅气凝胶，通过反应机理研究、组织结构表征和性能测试，阐明碳化硅气凝胶网络结构生长演变机制和调控方法。开发出满足如下结构和性能指标的碳化硅气凝胶隔热材料：介孔比表面积≥400m2/g，介孔孔体积≥2.6cm3/g，总孔隙率≥92%，有氧环境耐温性≥1200˚C，室温(20˚C)热导率≤，1000˚C热导率≤0.10W/(m∙K)，1200˚C热导率≤0.16W/(m∙K)。

气凝胶是目前热导率最低的固体材料，其常温常压下的热导率在0.02W/(m·K)以下，广泛应用与航空航天、国防军工、石油化工、新能源等领域，表现出优异的绝热性能。气凝胶种类众多，其中SiO2气凝胶已经实现商品化和工程应用，但SiO2气凝胶长期耐温性不超过650℃、短期耐温性不超过800℃，无法满足高超声速飞行器、高温窑炉等重大装备对耐高温高性能隔热材料的需求，因此本项目主要开展了SiC气凝胶材料的研究，期望开发出一种耐高温高性能SiC气凝胶隔热材料。为了达到这一目标，本项目主要开展了SiC气凝胶制备工艺与反应机理、组织结构演变规律与孔结构调控的研究。首先，开发了合成RF/SiO2气凝胶的自催化一步溶胶-凝胶工艺，分析了溶胶-凝胶反应机理与RF/SiO2气凝胶网络结构生长机制，并系统研究了反应体系组成和工艺参数对RF/SiO2气凝胶结构的影响。其次，研究了RF/SiO2气凝胶转变为SiC气凝胶的热处理工艺与反应机理，RF/SiO2气凝胶结构与热处理工艺参数对SiC气凝胶孔结构的影响，并对SiC气凝胶进行了系统测试表征。最后，分析总结了SiC气凝胶形成过程中的组织结构生长演变机制及孔结构控制方法，优化的SiC气凝胶密度0.127~0.288g/cm3、孔隙率90~92%、比表面积最高达653m2/g、孔体积最高达3.63cm3/g，常温常压热导率可达0.026W/(m·K)，空气中的耐温性高达1200℃，相关指标是目前报道的SiC气凝胶中最优的。相关研究结果发表论文11篇，其中SCI收录论文9篇。获教育部技术发明奖二等奖1项（排名3）。本研究为耐高温高性能碳化物气凝胶材料的制备及应用奠定了理论基础。