本發(fā)明涉及氣凝膠材料領(lǐng)域，具體而言，涉及氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料及其制備方法和應(yīng)用，包含其的結(jié)構(gòu)或裝置。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，在很多領(lǐng)域?qū)Ω魺岵牧系囊笤絹碓礁撸瑐鹘y(tǒng)的隔熱材料如無機(jī)纖維、有機(jī)泡沫等已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求。因此現(xiàn)代工業(yè)隔熱材料的一個(gè)新的發(fā)展方向－氣凝膠復(fù)合隔熱材料應(yīng)運(yùn)而生，其主要是由于氣凝膠具有高空隙率，而且其孔為納米尺寸，可以有效的抑制熱傳導(dǎo)和熱對流，是目前最理想的隔熱材料。

SiO₂氣凝膠具有三維納米顆粒骨架，高比表面積，納米級孔洞，低密度等特殊的微觀結(jié)構(gòu)，因而在熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)等方面都表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)。在熱學(xué)方面，氣凝膠的納米多孔結(jié)構(gòu)能夠有效抑制固態(tài)熱傳導(dǎo)和氣體傳熱，具有優(yōu)異的熱特性，是目前公認(rèn)的熱導(dǎo)率最低的固態(tài)材料(常溫下為0.01～0.03W/m·K)。同時(shí)，二氧化硅氣凝膠還具有較高的使用溫度，甚至在900℃高溫下仍具有較好的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，二氧化硅氣凝膠作為一種輕質(zhì)保溫隔熱材料，在航天航空、化工等領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。

然而，目前商業(yè)化的二氧化硅氣凝膠材料耐壓性不是很好。商業(yè)化生產(chǎn)的二氧化硅氣凝膠在2個(gè)千帕左右會被壓縮10％左右；如果繼續(xù)加壓，氣凝膠的結(jié)構(gòu)會逐漸受到不可逆轉(zhuǎn)的破壞，從而損失包括隔熱性能在內(nèi)的多方面的性能，而這也限制了氣凝膠的一些應(yīng)用。比如，如果將二氧化硅氣凝膠材料作為水下和地下管道的隔熱層，則不能將其鋪設(shè)在一定的深度以下，否則將無法起到其應(yīng)有的作用。再比如，經(jīng)常會發(fā)生碰撞的場合，如現(xiàn)場工人經(jīng)常會觸碰的工業(yè)設(shè)備上，在使用氣凝膠的過程中也會產(chǎn)生一定的顧慮，這不僅會增加工作量，同時(shí)也會提高施工的復(fù)雜性和施工難度，而且也難以保證施工效果。

同時(shí)，一些其它種類的氣凝膠，比如一種開環(huán)易位聚合工藝(ROMP)制備的交聯(lián)型聚酰亞胺氣凝膠，雖然抗壓強(qiáng)度顯著優(yōu)于商業(yè)化的二氧化硅氣凝膠，但是此類氣凝膠合成方法復(fù)雜，而且往往要使用非常規(guī)的，昂貴的化學(xué)試劑，這樣得到的產(chǎn)品并不經(jīng)濟(jì)。因此不能在需要大規(guī)模應(yīng)用的場合使用。

如果能提高氣凝膠材料的耐壓性，同時(shí)盡可能保持其隔熱能力強(qiáng)，耐熱性好，密度小等優(yōu)點(diǎn)，并且不顯著增加成本，將會顯著促進(jìn)其應(yīng)用。

有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一目的在于提供一種氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，所述的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料中，通過將氣凝膠、中空玻璃微珠和增強(qiáng)纖維網(wǎng)等材料相結(jié)合，從而能夠有效提高材料的抗壓性能，并解決了現(xiàn)有技術(shù)氣凝膠材料抗壓性能差等的技術(shù)問題，同時(shí)還能夠保留氣凝膠原有的隔熱性好、密度低的性能。

本發(fā)明的第二目的在于提供一種所述的氣凝膠復(fù)合材料的制備方法，本發(fā)明方法中，通過采用物理的方法將氣凝膠、中空玻璃微珠以及增強(qiáng)纖維網(wǎng)結(jié)合起，從而能夠方便、快捷的提供一種具有高抗壓性能的新型材料，而且制備成本低廉，易于大規(guī)模生產(chǎn)制備。

本發(fā)明的第三個(gè)目的在于提供一種所述氣凝膠復(fù)合材料的應(yīng)用，本發(fā)明氣凝膠復(fù)合材料具有良好的耐壓、隔熱性能，因而能夠進(jìn)一步用于耐壓隔熱材料的制備。

本發(fā)明的第四個(gè)目的在于提供一種包含本發(fā)明氣凝膠復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)或裝置。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術(shù)方案：

一種氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，所述氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料由氣凝膠、中空玻璃微珠以及增強(qiáng)纖維網(wǎng)組成。

可選的，本發(fā)明中，所述增強(qiáng)纖維網(wǎng)為聚酯、尼龍、玻纖、碳纖、聚丙烯或者芳綸中的一種或幾種材質(zhì)的復(fù)合增強(qiáng)纖維網(wǎng)。

可選的，本發(fā)明中，所述氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料還進(jìn)一步包括貼面層；

其中，所述貼面層設(shè)置于所述氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料表面。

可選的，本發(fā)明中，所述貼面層為聚酯、尼龍、玻纖、碳纖、聚丙烯或者芳綸中的一種或幾種材質(zhì)的密實(shí)布料層或網(wǎng)格層。

同時(shí)，本發(fā)明還提供了所述氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的制備方法，所述方法包括如下步驟：

將未凝膠的、氣凝膠反應(yīng)物溶液倒入中空玻璃微珠中，得到混合物；然后，將所述增強(qiáng)纖維網(wǎng)平鋪開，并將所述混合物倒在所述增強(qiáng)纖維網(wǎng)的表面；然后，將混合物在增強(qiáng)纖維網(wǎng)的表面刮平，使得混合物能夠在增強(qiáng)纖維網(wǎng)上平鋪，并填充增強(qiáng)纖維網(wǎng)的網(wǎng)格空間；接著，進(jìn)行凝膠以及后處理，即得氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料成品。

可選的，本發(fā)明中，所述方法還進(jìn)一步包括在所得氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的表面覆蓋貼面層的步驟。

可選的，本發(fā)明中，所述未凝膠的、氣凝膠反應(yīng)物溶液的體積為中空玻璃微球體積的90～130％。

可選的，本發(fā)明中，將所述混合物倒在所述增強(qiáng)纖維網(wǎng)的表面的具體步驟為：將所述混合物倒在所述增強(qiáng)纖維網(wǎng)的表面，同時(shí)控制所述混合物的加入量，并使得混合物的高度為所述增強(qiáng)纖維網(wǎng)厚度的90～110％。

進(jìn)一步的，本發(fā)明還提供了所述氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料在制備抗壓隔熱材料中的應(yīng)用。

同樣的，本發(fā)明也提供了包含所述氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)或裝置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料抗壓縮強(qiáng)度高，最高可以達(dá)到120MPa以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通水泥；

(2)本發(fā)明氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料隔熱性能強(qiáng)、耐熱性好以及密度小，材料的導(dǎo)熱系數(shù)能夠保持在0.03W/m·K以下；同時(shí)，氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料在壓力下收縮小；

(3)本發(fā)明制備方法工藝簡單，制備時(shí)間短，而且與現(xiàn)有的各種氣凝膠生產(chǎn)工藝兼容性好，同時(shí)還不會明顯增加氣溶膠材料的生產(chǎn)成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，以下將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。

圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例所提供的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料；

圖2為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例所提供的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料；

其中，圖1中，1－氣凝膠和玻璃微珠混合物，2－增強(qiáng)纖維網(wǎng)；圖2中，1－碳纖維布，2－氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料半成品。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，下列實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，而不應(yīng)視為限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例中未注明具體條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進(jìn)行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。

本發(fā)明所提供的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其基本結(jié)構(gòu)為由氣凝膠、中空玻璃微珠和增強(qiáng)纖維網(wǎng)構(gòu)成；

其中，所述氣凝膠可以為硅系、碳系、硫系、金屬氧化物系、金屬系或者聚合物氣凝膠等；由于本發(fā)明制備方法與現(xiàn)有的各種氣凝膠生產(chǎn)工藝兼容性好，所以能夠制備包含各種類型氣凝膠的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料；

其中，所述中空玻璃微珠是一種尺寸微小的中空玻璃球體，通常由硼硅酸鹽原料加工而成，典型粒徑范圍10－180微米，壁厚1－2微米，堆積密度0.1－0.25克/立方厘米，有質(zhì)輕、低導(dǎo)熱、較高的強(qiáng)度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、隔音、高分散、電絕緣性和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；常用的玻璃微珠抗壓強(qiáng)度在1MPa到120MPa之間；

其中，所述增強(qiáng)纖維網(wǎng)為市售或者自制，并具有微觀網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)的纖維材料，具體的可以為聚酯、尼龍、玻纖、碳纖、聚丙烯或者芳綸中的一種或幾種材質(zhì)的復(fù)合增強(qiáng)纖維網(wǎng)。

進(jìn)一步的，本發(fā)明所提供的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料中，所述中空玻璃微珠與氣凝膠的混合物是平鋪設(shè)置于增強(qiáng)纖維網(wǎng)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中，并填充于增強(qiáng)纖維網(wǎng)的網(wǎng)格空隙中；

具有如上結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料中，所述增強(qiáng)纖維網(wǎng)可以起到基底的作用，能夠?qū)⒅锌詹Ａ⒅楹蜌饽z通過物理粘合的方法有機(jī)的結(jié)合起來；同時(shí)，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的拉伸強(qiáng)度也取決于增強(qiáng)纖維網(wǎng)的拉伸強(qiáng)度，因而，要得到高拉伸強(qiáng)度的產(chǎn)品，優(yōu)選拉伸強(qiáng)度高的增強(qiáng)纖維網(wǎng)；

同時(shí)，所述氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的壓縮強(qiáng)度，是取決于玻璃微珠的抗壓強(qiáng)度的，所以要得到高抗壓的產(chǎn)品，則必須選擇抗壓性能強(qiáng)的玻璃微珠，而這也能夠有效提高最終產(chǎn)品的抗壓性能；

同時(shí)，作為粘合和填充物的氣凝膠，能夠起到將中空玻璃微珠有效粘合于增強(qiáng)纖維網(wǎng)，并防止其掉落的作用；同時(shí)填充的氣凝膠還能夠發(fā)揮其隔熱性能好、耐熱能力強(qiáng)以及密度輕等優(yōu)點(diǎn)，并使得最終的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料也具有良好的耐熱、隔熱性能，同時(shí)質(zhì)輕的特點(diǎn)也使得復(fù)合結(jié)構(gòu)材料能夠用于航天等領(lǐng)域中。

本發(fā)明進(jìn)一步所提供的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，則是在氣凝膠、中空玻璃微珠和增強(qiáng)纖維網(wǎng)所構(gòu)成的基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步覆蓋貼面層。即，由氣凝膠，中空玻璃微珠，增強(qiáng)纖維網(wǎng)和貼面層構(gòu)成的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料；

其中，所述氣凝膠、中空玻璃微珠和增強(qiáng)纖維網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和可能組成均與如前所述的基本結(jié)構(gòu)的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料相同；

其中，所述貼面層為聚酯、尼龍、玻纖、碳纖、聚丙烯或者芳綸中的一種或幾種材質(zhì)的密實(shí)布料層或網(wǎng)格層；

同時(shí)，所述貼面層設(shè)置于所述氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的表面；優(yōu)選的，在所述氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的上下表面都設(shè)置貼面層，并通過黏貼的方式與所述氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的表面相連接，即可以將增強(qiáng)貼面用膠貼在氣凝膠—玻璃微珠—增強(qiáng)纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)的表面；

進(jìn)一步的，也要保證貼面層的大小要能夠覆蓋整個(gè)氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料；

貼面層的設(shè)置，不僅能夠有效避免使用過程中氣凝膠的脫落，而且能夠進(jìn)一步提高氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的拉伸強(qiáng)度；因而，這種進(jìn)一步帶有貼面層的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，可以通過選用具有拉伸強(qiáng)度高的增強(qiáng)纖維網(wǎng)和增強(qiáng)貼面層，從而得到具有高拉伸強(qiáng)度的產(chǎn)品。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的制備方法主要包括如下步驟：

首先，是將未凝膠的，氣凝膠反應(yīng)物的溶液倒入中空玻璃微珠中，溶液的體積為中空玻璃微球的90～130％，這形成了粘稠的混合物；

然后，將所述增強(qiáng)纖維網(wǎng)平鋪開，將前述混合物倒入增強(qiáng)纖維網(wǎng)的表面，同時(shí)控制所述混合物的加入量，并使得混合物的高度為所述增強(qiáng)纖維網(wǎng)厚度的90～110％(例如可以首先測量增強(qiáng)纖維網(wǎng)的網(wǎng)格空隙體積，再根據(jù)網(wǎng)格空隙體積確定混合物的加入量)；接著，用刮刀將混合物刮開，從而使得混合物能夠在增強(qiáng)纖維網(wǎng)的表面均勻分布，并填充增強(qiáng)纖維網(wǎng)的網(wǎng)格空間；

最后，進(jìn)行氣凝膠溶液的凝膠、老化、改性以及干燥等后處理，即得成品。

進(jìn)一步的，如果制備帶有貼面層的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，還需要在氣凝膠干燥后，將增強(qiáng)貼面用膠貼在氣凝膠－玻璃微珠－增強(qiáng)纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)材料的表面，從而提高拉伸強(qiáng)度，并抑制掉粉。

同時(shí)，由于本發(fā)明所提供的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料具有高達(dá)120MPa的抗壓性能以及良好的隔熱、耐熱性能，因而，也能夠進(jìn)一步用于制備相應(yīng)的抗壓、隔熱材料，例如可以作為主材料或者功能性材料，并用于制備航空、航天器的隔熱器件或者隔熱裝置。

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)施中，所述中空玻璃微珠選用3M的S60HS中空玻璃微球，其抗壓強(qiáng)度124.02MPa，粒徑大約1微米到10微米之間；同時(shí)，增強(qiáng)纖維網(wǎng)2是厚度為2毫米的無堿玻璃纖維網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸為5mm×5mm；

然后，按照如下方法制備氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料：

(1)將未凝膠的，氣凝膠反應(yīng)物的溶液倒入中空玻璃微珠中，溶液的體積為中空玻璃微球的90～130％，形成粘稠的混合物；

(2)將增強(qiáng)纖維網(wǎng)2平鋪開，將前述混合物倒入增強(qiáng)纖維網(wǎng)2的表面，并使得混合物的高度與增強(qiáng)纖維網(wǎng)的厚度相同；然后，用刮刀將混合物刮開，使得混合物能夠在增強(qiáng)纖維網(wǎng)2的表面均勻分布；

(3)進(jìn)行氣凝膠溶液的凝膠、老化、改性以及干燥等后處理，得到成品。

所制得的成品中，氣凝膠填充在玻璃微珠的空隙之間，起到粘合作用，防止微珠掉落；氣凝膠和玻璃微珠混合物1起到隔熱作用。

經(jīng)檢測，所制得的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的抗壓強(qiáng)度120.0MPa，導(dǎo)熱系數(shù)0.027W/MK。

實(shí)施例2

圖2是一種高抗壓、高抗拉的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，是在實(shí)施例1的材料結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在上下表面用環(huán)氧樹脂粘貼碳纖維布1，得到了高抗拉強(qiáng)度的產(chǎn)品；

具體的，本實(shí)施例中，所述中空玻璃微珠選用3M的S60HS中空玻璃微球，其抗壓強(qiáng)度124.02MPa，粒徑大約1微米到10微米之間；同時(shí)，增強(qiáng)纖維網(wǎng)是厚度為2毫米的無堿玻璃纖維網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸為5mm×5mm；所述貼面層為碳纖維布層；

然后，按照如下方法制備氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料：

(1)將未凝膠的，氣凝膠反應(yīng)物的溶液倒入中空玻璃微珠中，溶液的體積為中空玻璃微球的90～130％，形成粘稠的混合物；

(2)將所述增強(qiáng)纖維網(wǎng)平鋪開，將前述混合物倒入增強(qiáng)纖維網(wǎng)的表面，并使得混合物的高度與增強(qiáng)纖維網(wǎng)的厚度相同；然后，用刮刀將混合物刮開，使得混合物能夠在增強(qiáng)纖維網(wǎng)的表面均勻分布；

(3)進(jìn)行氣凝膠溶液的凝膠、老化、改性以及干燥等后處理，得到氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料半成品2；

(4)在半成品的上下表面用環(huán)氧樹脂粘貼碳纖維布1，得到了高抗拉強(qiáng)度的產(chǎn)品。

經(jīng)檢測，所制得的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的抗壓強(qiáng)度124.8MPa；熱系數(shù)為；0.028W/MK

實(shí)施例3

分別采用聚酯、尼龍、碳纖、聚丙烯或者芳綸增強(qiáng)纖維網(wǎng)為基底材料；同時(shí)，以碳?xì)饽z制備過程中，尚未凝膠的溶液為原料，并按照實(shí)施例1方法制備相應(yīng)的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。

制備結(jié)果表明，上述原料的組合均能夠制備得到具有類似于實(shí)施例1種所述結(jié)構(gòu)的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，而且所制得的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料也都具有良好的抗壓強(qiáng)度和耐熱性。

本發(fā)明方法制備工藝簡單，而且與現(xiàn)有的各種氣凝膠生產(chǎn)工藝兼容性好，所制得的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料抗壓縮強(qiáng)度高，隔熱性能強(qiáng)、耐熱性好以及密度小，在壓力下收縮小，具有優(yōu)異的理化性能。進(jìn)一步的，本發(fā)明所制得的氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)材料還能夠進(jìn)一步主材料或者功能性材料，并用于制備航空、航天器的隔熱器件或者隔熱裝置。

盡管已用具體實(shí)施例來說明和描述了本發(fā)明，然而應(yīng)意識到，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以作出許多其它的更改和修改。因此，這意味著在所附權(quán)利要求中包括屬于本發(fā)明范圍內(nèi)的所有這些變化和修改。