CN114538888A - 一种低膨胀耐高温气凝胶隔热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低膨胀耐高温气凝胶隔热材料，其制备原料包括气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体、硅烷偶联剂和有机结合剂；所述气凝胶粉体包括亲水性气相二氧化硅气凝胶粉体和气相二氧化铝气凝胶粉体，且所述气相二氧化硅气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为0～99％，所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为1～100％。本发明通过在二氧化硅气凝胶隔热材料中加入气相二氧化铝气凝胶粉体和低膨胀/负膨胀材料粉末，不但提高了气凝胶隔热材料的最高使用温度，而且还把气凝胶隔热材料的热膨胀系数控制在较低的水平，提高了低膨胀耐高温气凝胶隔热材料耐热冲击性，延长了其使用寿命。

Description

一种低膨胀耐高温气凝胶隔热材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种隔热材料及其制备方法，尤其是一种具有低膨胀系数、较高使用温度的气凝胶隔热材料及其制备方法，属于无机材料技术领域。

背景技术

气凝胶诞生于1931年，由Steven.S.Kistler在Nature杂志上发表的《共聚扩散气凝胶与果冻》标志着气凝胶的发现。Kistler首次通过乙醇超临界干燥技术，制备出世界上第一块二氧化硅气凝胶。气凝胶是一种结构可控的轻质多孔非晶态无机纳米材料，因为具有极低的密度和极高的气孔率，是目前热导率最低的固体材料。在气凝胶当中，由于气孔的直径(小于50nm)小于空气分子平均自由程(约70nm)，而且在气凝胶当中没有空气对流，因而具有极低的气态热传导；另外，由于气凝胶本身的气孔率非常高，固体所占比例相对较低，因此固态热传导也很低，使得气凝胶总体的热导率小于0.022W/(m·K)，比静止空气的热导率0.026W/(m·K)还低。

目前，由于二氧化硅气凝胶隔热材料具有隔热性能良好，价格低廉，相对密度较低等特点，使得其在耐火隔热领域占有一席之地。但是，二氧化硅气凝胶最大的问题是使用温度较低，普遍不超过650℃。很多研究者为了提高二氧化硅气凝胶隔热材料的最高使用温度，向其中加入了二氧化铝气凝胶。主要是因为和二氧化硅气凝胶相比，二氧化铝气凝胶具有更高的使用温度，这是因为在高温下，二氧化铝气凝胶的热致收缩率要比二氧化硅气凝胶要小。并且，在高温下，二氧化硅气凝胶和二氧化铝气凝胶比较容易形成莫来石相，而莫来石具有很高的热稳定性，这无疑会进一步提高二氧化硅和二氧化铝混合气凝胶的稳定性。专利CN109095883A以氧化硅溶胶和氧化铝溶胶为原料，用超临界干燥的方法合成了氧化硅-氧化铝二元气凝胶复合材料。专利CN105967728A以二氧化铝溶胶和气相二氧化硅为原料，同样使用了超临界干燥法制备出了二氧化硅、二氧化铝复合气凝胶隔热材料，最高使用温度提高到了1200℃。

用二氧化铝气凝胶来提高二氧化硅气凝胶的方法虽然比较有效，但是由于二氧化铝气凝胶的热膨胀系数较高(8.1*10^-6/K)，二氧化铝气凝胶的加入势必会使气凝胶隔热材料的热膨胀系数大大增加，对气凝胶材料的抗热震性能带来不利的影响。在我国，由于炼钢温度一般都超过1000℃，所以钢铁厂中普遍会使用耐火温度更高的铝制耐火材料。但是铝制耐火材的热膨胀系数较高，耐热冲击性较差，而像炼钢用的转炉，会存在不断有熔化的铁水倒进倒出的情况，就是使得耐火材料不断在室温和高温下经受冲击而造成破损，所以目前每生产一吨钢材所消耗的耐火材料重量为7公斤左右，生产成本巨大。在这种情况下，如果直接把高热膨胀系数的二氧化硅-二氧化铝气凝胶隔热材料在炼钢炉的表面使用，就会使得气凝胶隔热材料因热冲击而在内部产生裂痕，最终不断扩大而使得气凝胶材料粉化进而失去隔热性能。

在一般情况下，改善材料的耐热冲击性主要有三种方法：提高材料的热导率。热导率大，材料内部的温差越小，由温差引起的应力差越小，抗热震性越好；提高材料本身强度。材料固有强度越高，承受热应力而不致破坏的强度越大，抗热震性好；降低材料本身的热膨胀系数。热膨胀系数越小，材料因温度变化而引起的体积变化小，相应产生的温度应力小，抗热震性越好。对于气凝胶隔热材料来说，其本身的热导率非常低，很容易引起内部温差不均匀，从而造成耐热冲击性不良。但是如果要提高气凝胶隔热材料的热导率，则失去了其低热导率、超强隔热材料的特性。另外，由于气凝胶本身的堆积密度较低，自身抗弯折强度也较差，如果要提高气凝胶的强度，要么提高堆积密度，这就会导致热导率的上升，要么就要加入其它材料，如陶瓷纤维，这也会对气凝胶的低热导率特性产生不良影响。所以，如果想改善气凝胶隔热材料的耐热冲击特性，只有降低其热膨胀系数。目前，对如何降低氧化硅-氧化铝复合气凝胶材料的热膨胀系数的研究报道极少。

综上，获得一种生产方法简单、且热导率低、既能提高气凝胶隔热材料的工作温度、同时又能控制其热膨胀系数从而改善耐热冲击性的气凝胶隔热材料，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种具有低热导率、耐高温、低热膨胀系数、耐热冲击的低膨胀耐高温气凝胶隔热材料；同时，本发明还提供一种简便快速、对环境友好、生产成本较低的所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种低膨胀耐高温气凝胶隔热材料，其制备原料包括气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体、硅烷偶联剂和有机结合剂；

所述气凝胶粉体包括亲水性气相二氧化硅气凝胶粉体和亲水性气相二氧化铝气凝胶粉体，且所述气相二氧化硅气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为0～99％，所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为1～100％。

为了提高传统的二氧化硅气凝胶隔热材料的耐热性，本申请发明人在二氧化硅气凝胶隔热材料当中加入了热收缩率更低的二氧化铝气凝胶。但是，高热膨胀系数的二氧化铝气凝胶的加入，势必会对气凝胶隔热材料的热膨胀系数和耐热冲击性造成不良影响，所以本发明人使用了负膨胀/低膨胀材料在兼顾了二氧化铝气凝胶带来的耐热性的同时、同时降低了二氧化铝气凝胶带来的高热膨胀性产生的影响。

本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料，其中的气凝胶粉体包括亲水性气相二氧化硅气凝胶粉体和气相二氧化铝气凝胶粉体，在传统的二氧化硅气凝胶隔热材料中添加气相二氧化铝气凝胶粉体，有效降低了所得气凝胶隔热材料的热致收缩率，显著提高所述气凝胶隔热材料的使用温度。所述气相二氧化硅气凝胶粉体和气相二氧化铝气凝胶粉体的选材均为亲水性气凝胶。如果选用疏水性气凝胶粉体，很难在水中把气凝胶粉体混合均匀，容易形成块状聚合物。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述气凝胶粉体的添加量为气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的50～90％；所述红外遮光剂的添加量为气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的10～50％；所述低膨胀/负膨胀材料粉体的添加量为气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的0～40％。

本发明中所述气凝胶粉体的添加量为气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的50～90％。本申请发明人在试验中发现，如果气凝胶粉体的重量占比低于50％，则会由于红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体的过量添加导致气凝胶隔热材料的堆积密度大于本发明所述气凝胶隔热材料堆积密度的最大值，直接导致固体热传导增加，影响气凝胶隔热材料的热导率；相反，如果气凝胶粉体的添加量大于90％，则会直接导致红外遮光剂的添加量偏小，在高温段，由于红外辐射导致的热传导增大，影响气凝胶隔热材料的热导率。

本发明中所述红外遮光剂的添加量为气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的10％～50％。如果添加量低于10％，则很难起到对红外线的反射和散射的作用，对降低气凝胶隔热材料的热导率产生不利影响。另一方面，红外遮光剂和低膨胀/负膨胀材料粉体都属于普通陶瓷粉体，在气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量当中的占比越大，则制备出的气凝胶隔热材料的堆积密度也越大。当红外遮光剂的添加量在气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量当中的占比超过50％时，则气凝胶隔热材料的堆积密度会超过本发明所述堆积密度的最大值，直接导致由于固体热传导的增加影响气凝胶隔热材料的热导率。

本发明中所述低膨胀/负膨胀材料粉体的添加量为气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料总重量的0～40％。低膨胀/负膨胀材料粉体本身并不具备红外反射作用，也不属于低热导率材料，如果添加量超过了40％，则会因为挤占气凝胶粉体和红外遮光剂的添加量，影响低膨胀气凝胶隔热材料的热导率。为了尽量少的添加低膨胀/负膨胀材料粉体而又能保证低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的热膨胀系数在小于3×10^-6/K的范围内，优选具有负膨胀特性的锂霞石(-7×10^-6/K)和钨酸锆(-9×10^-6/K)。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述气相二氧化硅气凝胶粉体在所述气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量当中的质量百分含量为0～89.1％，所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量当中的质量百分含量为0.5～67％。

为了改善气凝胶隔热材料的的耐热性质，二氧化铝气凝胶粉体的添加量占所有气凝胶粉体原料重量的1％以上。随着气相二氧化铝气凝胶粉体比重的上升，气凝胶隔热材料的热致收缩率在不断下降，当气相二氧化铝气凝胶粉体的占比达到100％时，在1200℃下3小时的热致收缩率达到了最小值0.6％。但是气相二氧化铝气凝胶粉体占比增加的同时，带来了两个问题：第一，和气相二氧化硅气凝胶粉体(0.5×10^-6/K)相比，气相二氧化铝气凝胶粉体的热膨胀系数(8.1×10^-6/K)非常高，过量的添加会导致气凝胶隔热材料的耐热冲击性迅速下降。第二，和气相二氧化硅气凝胶(2.20g/cm³)相比，气相二氧化铝气凝胶的真密度(3.95g/cm³)相对较高，这就导致气相二氧化铝气凝胶的颗粒密度相对较高，制备出的气凝胶隔热材料的堆积密度也会随着上升，影响气凝胶隔热材料的轻量化性能。所以，为了平衡气凝胶隔热材料的耐高温性、耐热冲击性、轻量化性，气相二氧化硅气凝胶粉体在所述气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量当中的质量百分含量为0～89.1％；气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量当中的质量百分含量为0.5～67％。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述气凝胶粉体的比表面积大于10m²/g。比表面积越大，气凝胶粉体的平均粒径越小。比表面积大有两个好处：第一，在加入硅烷偶联剂后，可以使粉体原料表面吸附更多气凝胶颗粒，增加粉体原料的分散性，维持气凝胶隔热材料整体性能的稳定；第二，比表面积越大，最后形成的气凝胶当中的气孔孔径就越小，气孔孔径小于空气分子自由程的情况下，可以有效阻止因气体流动引起的热传导，从而降低热导率。作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的更优选实施方式，气相二氧化硅气凝胶粉体和气相二氧化铝气凝胶粉体的比表面积大于50m²/g，更进一步优选为大于100m²/g。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述气凝胶粉体的纯度大于99％。为了保证本发明低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的纯度，所述气相二氧化硅气凝胶粉体和气相二氧化铝气凝胶粉体的纯度应大于99％。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述硅烷偶联剂的添加量为气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的1～20％；所述有机结合剂的添加量为气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的0.1～1％。

本发明中所述硅烷偶联剂添加的目的在于使气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体实现桥接，使颗粒较小的气相二氧化硅气凝胶粉体和气相二氧化铝气凝胶粉体附着于红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体的表面，增加其分散性，从而保证各种原料在成型体当中均匀分布。硅烷偶联剂的使用量为气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的1％～20％。如果超过20％，在低膨胀气凝胶隔热材料烧结完以后，虽然硅烷偶联剂当中大部分的有机成分会挥发除去，但是残留的氧化硅会堵塞低膨胀耐高温气凝胶隔热材当中的气孔，从而因固体传导的提高使整体隔热材的热导率提高。但是如果硅烷偶联剂的添加量小于1％，则无法很好地在气凝胶和红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体间形成足够的桥接效应，影响材料的分散性，最终影响隔热材的性能。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述硅烷偶联剂的添加量为气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的1％～20％；作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的更优选实施方式，所述硅烷偶联剂的添加量为气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的5％～10％。

本发明中所述有机结合剂的添加量为气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的0.1～1％；如果有机结合剂添加的太少，则混合物中的固体成分不能充分形成絮状沉淀，在排水压缩成型的时候，微小的气凝胶和粉体原料会随着多余的水分流失，严重影响最终气凝胶隔热材料的化学组分；但是，如果有机结合剂的添加量过多的话，最终形成的絮状沉淀物的尺寸会过大，在压缩的时候，大尺寸的絮状物中间会留下空隙，这些空隙在干燥烧结完成后容易最终形成内部缺陷，影响气凝胶隔热材料的强度和隔热性能。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述有机结合剂的添加量为气凝胶、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的0.1％～1％；作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的更优选实施方式，所述有机结合剂的添加量为气凝胶、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的0.2％～0.5％。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述低膨胀/负膨胀材料粉体包括堇青石、透锂长石、锂辉石、锂霞石、钨酸锆中的至少一种。本申请发明人在试验中发现，所述低膨胀/负膨胀材料粉体选自堇青石(1.7×10^-6/K)、透锂长石(0.8×10^-6/K)、锂辉石(0.4×10^-6/K)、锂霞石(-7×10^-6/K)、钨酸锆(-9×10^-6/K)总的至少一种，能够有效将气凝胶隔热材料的膨胀系数控制在3.0×10^-6/K以下。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述低膨胀/负膨胀材料粉体的中心粒径D50小于100μm。如果低膨胀/负膨胀材料粉体的中心粒径过大，其比表面积过小，则单位重量的低膨胀/负膨胀材料粉体的表面上可以附着的气相二氧化硅气凝胶和气相二氧化铝气凝胶的数量就会偏小，分散性就会变差，不利于低膨胀/负膨胀材料粉体在低膨胀耐高温气凝胶隔热材料当中的均匀分布。所以低膨胀/负膨胀材料粉体的中心粒径更优选为小于50μm，更进一步优选为小于10μm。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述低膨胀/负膨胀材料粉体的纯度大于99％。为了保证低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的纯度，低膨胀/负膨胀材料粉体的纯度应大于99％

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述红外遮光剂包括碳化硅粉体、氧化锆粉体、硅酸锆粉体、六钛酸钾粉体、碳化硼中的至少一种。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述红外遮光剂的中心粒径D50小于100μm。本申请发明人发现，如果红外遮光剂的中心粒径过大，其比表面积过小，则单位重量的红外遮光剂的表面上可以附着的气凝胶的数量就会偏小，分散性就会变差，不利于红外遮光剂在低膨胀耐高温气凝胶隔热材料当中的均匀分布。作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的更优选实施方式，所述红外遮光剂的中心粒径D50小于50μm，更进一步优选为小于10μm。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述红外遮光剂的纯度大于99％。为了保证本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的纯度，红外遮光剂的纯度应大于99％。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述硅烷偶联剂包括正硅酸乙酯、乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅、丙基三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷中的至少一种。本发明中所述硅烷偶联剂包括但不限于正硅酸乙酯、乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅、丙基三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷，所述硅烷偶联剂可以选择其中的一种使用，也可以选择两种及以上混合使用。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述有机结合剂包括聚丙烯酰胺、聚合氯化铝、聚丙烯酸中的至少一种。本发明中所述有机结合剂包括但不限于聚丙烯酰胺、聚合氯化铝、聚丙烯酸中的至少一种。聚丙烯酰胺、聚合氯化铝、聚丙烯酸常被用作絮凝剂或者沉淀剂，用来处理污水或者河泥，使其当中的固体成分结成絮状从而沉淀，方便被污染物的处理。除本发明所述有机结合剂种类以外，其他可以使水中固体成分凝结成絮状且不会对低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的性能产生影响的有机结合剂都可以被用来制备本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的堆积密度为200～600kg/m³。如果堆积密度小于200kg/m³，则低膨胀耐高温气凝胶隔热材的强度低下，没有足够的手持性，在生产和使用当中非常容易引起破损。如果低膨胀耐高温气凝胶的堆积密度超过600kg/m³，则其热导率会因为固体热传导的增加而上升。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的堆积密度为250～550kg/m³；作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的更优选实施方式，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的堆积密度为300～500kg/m³。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的最高使用温度为850℃～1200℃。当所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为1％时，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的最高使用温度为850℃。当所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为100％时，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的最高使用温度为1200℃。最高使用温度和低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的热致收缩率有关。如果在使用过程当中，低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的收缩率过高，产生了缝隙，则被保护体就可能跟和外界通过缝隙进行热量交换，产生不好的结果。本发明低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的最高使用温度，随着气相二氧化铝气凝胶粉体在气凝胶粉体当中的占比的提高而增加。最高使用温度的判断标准为在特定温度下加热3小时的线收缩率小于2％时的温度。比如，当气相二氧化铝气凝胶粉体和气相二氧化硅气凝胶粉体的占比都为50％时，在1000℃时的3小时线收缩率为1.7％，在1050℃时的3小时线收缩率为2.4％，则由该配比制作出的低膨胀耐高温气凝胶的最高使用温度为1000℃，而非1050℃。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的优选实施方式，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的膨胀系数小于3×10^-6/K；所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料在800℃时的热导率小于0.15W/mK。

同时，本发明还提供一种简便快速、对环境友好、生产成本较低的气凝胶隔热材料制备方法，为实现此目的，本发明采取的技术方案为：一种如上所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)分别称取气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体并加入水中搅拌混合均匀，得到混合物；将有机结合剂用水稀释；

(2)在步骤(1)中的混合物中加入硅烷偶联剂，搅拌均匀后加入步骤(1)中稀释后的有机结合剂，搅拌至形成絮状沉淀物；

(3)将步骤(2)中的絮状沉淀物静止至所述絮状沉淀物完全沉入容器底部，除去沉淀物上的多余水分，将剩余泥浆倒入成型模具中压缩使多余水分挤出，即得成型体；

(4)将步骤(3)所得成型体干燥后煅烧，即得低膨胀耐高温气凝胶隔热材料。

本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法，不仅制备过程简单快速，而且不使用昂贵设备、不使用酸碱和有毒有机溶剂等，对环境十分友好，适合大规模快速生产。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中采用的水为去离子水。当步骤(1)中采用的水为去离子水时，能更好保证低膨胀气凝胶隔热材料的纯度，

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，在步骤(1)中的混合物中加入硅烷偶联剂后搅拌的时间一般不超过5分钟。如果时间过长，不但会使桥接作用变弱，而且还会影响生产效率。有机结合剂加入后搅拌均匀即会有絮状物产生，有机结合剂的添加量以不再有絮状物产生为准。如果过量的添加有机结合剂，不但不会使絮状物的产生速度加快，还会因为有机结合剂带来的电荷破坏硅烷偶联剂的桥接作用，影响材料性能。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法的优选实施方式，所述步骤(3)中，成型体的密度为150～550kg/m³。制作成型体时体积需要控制的很好，考虑到后面还会因为干燥和退火引起的收缩，所以除去水分，此时的成型体的密度应维持在150～550kg/m³。

作为本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法的优选实施方式，所述步骤(4)中，干燥温度为110℃以下，煅烧温度不超过1200℃，煅烧时间不超过3小时。干燥温度不宜过高，一般在110℃以下。煅烧的温度一般随着气相二氧化铝气凝胶的占比进行调整，占比越高，煅烧的温度也越高，但是一般不超过1200℃，煅烧的时间一般不超过3小时。如果温度过高，煅烧时间过长，则非晶的气相二氧化硅气凝胶则可能转化为方石英(13.6×10^-6/K)，增加低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的热膨胀系数。

本发明首先发现了在传统的二氧化硅气凝胶隔热材料中加入适量的二氧化铝气凝胶，虽然能提高气凝胶隔热材料的使用温度，但同时也会使气凝胶隔热材料的热膨胀系数迅速提高，在不断地冷热交替的热冲击下，气凝胶隔热材料的内部产生了微小裂痕，进而造成气凝胶粉化、碎裂，影响了气凝胶隔热材料的使用寿命。

本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料，通过在二氧化硅气凝胶隔热材料中加入气相二氧化铝气凝胶粉体和低膨胀/负膨胀材料粉末，不但提高了气凝胶隔热材料的最高使用温度，而且还把气凝胶隔热材料的热膨胀系数控制在了3.0×10^-6/K以下的低水平，提高了低膨胀耐高温气凝胶隔热材料耐热冲击性。另外，在生产本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料时，并未使用昂贵设备，也未使用酸碱和有毒有害溶剂溶液，制备方法简单，制备速度快，生产成本低，大大缩短了生产流程，易于大规模生产。当使用100％气相二氧化铝气凝胶粉体作为气凝胶粉体、锂霞石作为负膨胀材料粉体、碳化硅作为红外遮光剂、堆积密度为590kg/m³的条件下，我们制备出了热膨胀系数为2.9×10^-6/K、最高使用温度为1200℃、800℃时为0.148W/mK的气凝胶隔热材料，既保证了低热导率、又提高了气凝胶隔热材料的最高使用温度。

本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法，制备过程简单快速，而且不使用昂贵设备、不使用酸碱和有毒有机溶剂等，对环境十分友好，适合大规模快速生产。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和有益效果，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如无特殊说明，本发明以下实施例中所用原料均可直接从市场购买所得，或者根据本技术领域常规方法制备所得。

实施例1

本发明低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的一种实施例，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体50份、红外遮光剂28份、低膨胀/负膨胀材料粉体22份、硅烷偶联剂5份、有机结合剂0.6份；

所述气凝胶粉体为比表面积大于10m²/g且纯度大于99％的气相二氧化铝气凝胶粉体；

所述红外遮光剂为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的碳化硅粉体；

所述低膨胀/负膨胀材料粉体为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的锂霞石；

所述硅烷偶联剂为正硅酸乙酯；

所述有机结合剂为聚丙烯酰胺。

本实施例所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法包括以下步骤：

(1)分别称取气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体并加入水中搅拌混合均匀，得到混合物；将有机结合剂用水稀释；

(2)在步骤(1)中的混合物中加入硅烷偶联剂，搅拌一般不超5分钟，搅拌均匀后加入步骤(1)中稀释后的有机结合剂，搅拌至形成絮状沉淀物；

(3)将步骤(2)中的絮状沉淀物静止至所述絮状沉淀物完全沉入容器底部，除去沉淀物上的多余水分，将剩余泥浆倒入成型模具中压缩使多余水分挤出，得到密度为150～550kg/m³成型体；

(4)将步骤(3)所得成型体干燥后煅烧，干燥温度为110℃以下，煅烧温度不超过1200℃，煅烧时间不超过3小时，即得低膨胀耐高温气凝胶隔热材料。

本实施例所得低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的堆积密度为590kg/m³。

实施例2

本发明低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的一种实施例，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体90份、红外遮光剂10份、硅烷偶联剂4份、有机结合剂0.5份；

所述气凝胶粉体为比表面积大于10m²/g且纯度大于99％的气相二氧化硅气凝胶粉体和气相二氧化铝气凝胶粉体的混合物，且所述气相二氧化硅气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为99％，所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为1％；

所述红外遮光剂为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的六钛酸钾粉体；

所述硅烷偶联剂为异丁基三乙氧基硅；

所述有机结合剂为聚丙烯酸。

本实施例所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法同实施例1。本实施例所得低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的堆积密度为210kg/m³。

实施例3

本发明低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的一种实施例，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体50份、红外遮光剂40份、低膨胀/负膨胀材料粉体10份、硅烷偶联剂12份、有机结合剂0.5份；

所述气凝胶粉体为比表面积大于10m²/g且纯度大于99％的气相二氧化硅气凝胶粉体和气相二氧化铝气凝胶粉体的混合物，且所述气相二氧化硅气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为99％，所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为1％；

所述红外遮光剂为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的碳化硅粉体；

所述低膨胀/负膨胀材料粉体为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的堇青石；

所述硅烷偶联剂为乙烯基硅烷；

所述有机结合剂为聚合氯化铝。

本实施例所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法同实施例1。本实施例所得低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的堆积密度为520kg/m³。

实施例4

本发明低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的一种实施例，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体67份、红外遮光剂10份、低膨胀/负膨胀材料粉体23份、硅烷偶联剂3份、有机结合剂0.2份；

所述气凝胶粉体为比表面积大于10m²/g且纯度大于99％的气相二氧化铝气凝胶粉体；

所述红外遮光剂为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的碳化硼；

所述低膨胀/负膨胀材料粉体为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的锂霞石；

所述硅烷偶联剂为正硅酸乙酯；

所述有机结合剂为聚丙烯酰胺。

本实施例所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法同实施例1。本实施例所得低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的堆积密度为470kg/m³。

实施例5

本发明低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的一种实施例，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体70份、红外遮光剂10份、低膨胀/负膨胀材料粉体20份、硅烷偶联剂2份、有机结合剂0.7份；

所述气凝胶粉体为比表面积大于10m²/g且纯度大于99％的气相二氧化硅气凝胶粉体和气相二氧化铝气凝胶粉体的混合物，且所述气相二氧化硅气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为50％，所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为50％；

所述红外遮光剂为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的碳化硅粉体；

所述低膨胀/负膨胀材料粉体为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的透锂长石和锂辉石的混合物，且所述透锂长石和锂辉石的质量比为1:1；

所述硅烷偶联剂为异丁基三乙氧基硅；

所述有机结合剂为聚丙烯酰胺。

本实施例所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法同实施例1。本实施例所得低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的堆积密度为310kg/m³。

实施例6

本发明低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的一种实施例，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体50份、红外遮光剂50份、硅烷偶联剂10份、有机结合剂0.3份；

所述气凝胶粉体为比表面积大于10m²/g且纯度大于99％的气相二氧化硅气凝胶粉体和气相二氧化铝气凝胶粉体的混合物，且所述气相二氧化硅气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为60％，所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为40％；

所述红外遮光剂为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的碳化硼；

所述硅烷偶联剂为正硅酸乙酯；

所述有机结合剂为聚合氯化铝。

本实施例所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法同实施例1。本实施例所得低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的堆积密度为600kg/m³。

实施例7

本发明低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的一种实施例，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体50份、红外遮光剂40份、低膨胀/负膨胀材料粉体10份、硅烷偶联剂14份、有机结合剂0.4份；

所述气凝胶粉体为比表面积大于10m²/g且纯度大于99％的气相二氧化硅气凝胶粉体和气相二氧化铝气凝胶粉体的混合物，且所述气相二氧化硅气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为80％，所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为20％；

所述红外遮光剂为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的氧化锆粉体和硅酸锆粉体的混合物，且所述氧化锆粉体与硅酸锆粉体的质量比为1:1；

所述低膨胀/负膨胀材料粉体为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的锂辉石；

所述硅烷偶联剂为氨基硅烷；

所述有机结合剂为聚丙烯酸。

本实施例所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法同实施例1。本实施例所得低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的堆积密度为200kg/m³。

实施例8

本发明低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的一种实施例，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体60份、红外遮光剂20份、低膨胀/负膨胀材料粉体20份、硅烷偶联剂20份、有机结合剂0.2份；

所述气凝胶粉体为比表面积大于10m²/g且纯度大于99％的气相二氧化硅气凝胶粉体和气相二氧化铝气凝胶粉体的混合物，且所述气相二氧化硅气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为50％，所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为50％；

所述红外遮光剂为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的碳化硅粉体和氧化锆粉体的混合物，且所述碳化硅粉体与氧化锆粉体的质量比为1:1；

所述低膨胀/负膨胀材料粉体为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的锂霞石和堇青石的混合物，且所述锂霞石和堇青石的质量比为1:1；

所述硅烷偶联剂为质量比为1:1的丙基三甲氧基硅烷和三乙氧基硅烷混合物；

所述有机结合剂为聚合氯化铝。

本实施例所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法同实施例1。本实施例所得低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的堆积密度为590kg/m³。

实施例9

本发明低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的一种实施例，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体75份、红外遮光剂10份、低膨胀/负膨胀材料粉体15份、硅烷偶联剂1份、有机结合剂0.6份；

所述气凝胶粉体为比表面积大于10m²/g且纯度大于99％的气相二氧化硅气凝胶粉体和气相二氧化铝气凝胶粉体的混合物，且所述气相二氧化硅气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为34％，所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为66％；

所述红外遮光剂为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的碳化硼；

所述低膨胀/负膨胀材料粉体为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的锂霞石和锂辉石的混合物，且所述锂霞石与锂辉石的质量比为2:1；

所述硅烷偶联剂为正硅酸乙酯；

所述有机结合剂为聚合氯化铝。

本实施例所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法同实施例1。本实施例所得低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的堆积密度为550kg/m³。

实施例10

本发明低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的一种实施例，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体50份、红外遮光剂25份、低膨胀/负膨胀材料粉体25份、硅烷偶联剂2份、有机结合剂0.1份；

所述气凝胶粉体为比表面积大于10m²/g且纯度大于99％的气相二氧化硅气凝胶粉体和气相二氧化铝气凝胶粉体的混合物，且所述气相二氧化硅气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为40％，所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为60％；

所述红外遮光剂为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的六钛酸钾粉体；

所述低膨胀/负膨胀材料粉体为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的透锂长石和钨酸锆的混合物，且所述透锂长石与钨酸锆的质量比为1:4；

所述硅烷偶联剂为氨基硅烷；

所述有机结合剂为质量比为2:1的聚丙烯酸和聚丙烯酰胺混合物。

本实施例所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法同实施例1。本实施例所得低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的堆积密度为430kg/m³。

实施例11

本发明低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的一种实施例，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体50份、红外遮光剂30份、低膨胀/负膨胀材料粉体20份、硅烷偶联剂9份、有机结合剂1份；

所述气凝胶粉体为比表面积大于10m²/g且纯度大于99％的气相二氧化硅气凝胶粉体和气相二氧化铝气凝胶粉体的混合物，且所述气相二氧化硅气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为10％，所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为90％；

所述红外遮光剂为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的硅酸锆粉体；

所述低膨胀/负膨胀材料粉体为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的锂霞石；

所述硅烷偶联剂为正硅酸乙酯；

所述有机结合剂为聚丙烯酸。

本实施例所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法同实施例1。本实施例所得低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的堆积密度为480kg/m³。

实施例12

本发明低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的一种实施例，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体50份、红外遮光剂10份、低膨胀/负膨胀材料粉体40份、硅烷偶联剂8份、有机结合剂0.7份；

所述气凝胶粉体为比表面积大于10m²/g且纯度大于99％的气相二氧化铝气凝胶粉体；

所述红外遮光剂为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的碳化硼；

所述低膨胀/负膨胀材料粉体为中心粒径D50小于100μm且纯度大于99％的锂霞石和锂辉石的混合物，且所述锂霞石与锂辉石的质量百为1:3；

所述硅烷偶联剂为异丁基三乙氧基硅；

所述有机结合剂为聚丙烯酰胺。

本实施例所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法同实施例1。本实施例所得低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的堆积密度为590kg/m³。

实施例13

本发明所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的性能试验

本实施例设置试验组和对照组，试验组1～12分别采用实施例1～12的低膨胀耐高温气凝胶隔热材料，对照组1～12所述气凝胶隔热材料分别如下：

对照组1的气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体49份、红外遮光剂29份、低膨胀/负膨胀材料粉体22份、硅烷偶联剂5份、有机结合剂0.6份；所述原料成分选择及制备方法等与实施例1相同。对照组1所得气凝胶隔热材料的堆积密度为605kg/m³。

对照组2的气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体91份、红外遮光剂9份、硅烷偶联剂4份、有机结合剂0.5份；所述原料成分选择及制备方法等与实施例2相同。对照组2所得气凝胶隔热材料的堆积密度为205kg/m³。

对照组3的气凝胶隔热材料的制备原料中，所述气凝胶粉体为比表面积大于10m²/g且纯度大于99％的气相二氧化硅气凝胶粉体，其余原料成分选择、原料用量及制备方法等与实施例3相同。对照组3所得气凝胶隔热材料的堆积密度为520kg/m³。

对照组4的气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体68份、红外遮光剂10份、低膨胀/负膨胀材料粉体22份、硅烷偶联剂3份、有机结合剂0.2份；所述原料成分选择及制备方法等与实施例4相同。对照组4所得气凝胶隔热材料的堆积密度为460kg/m³。

对照组5的气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体70份、红外遮光剂9份、低膨胀/负膨胀材料粉体21份、硅烷偶联剂2份、有机结合剂0.7份；所述原料成分选择及制备方法等与实施例5相同。对照组5所得气凝胶隔热材料的堆积密度为310kg/m³。

对照组6气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体49份、红外遮光剂51份、硅烷偶联剂10份、有机结合剂0.3份；所述原料成分选择及制备方法等与实施例6相同。对照组6所得气凝胶隔热材料的堆积密度为605kg/m³。

对照组7的气凝胶隔热材料的制备原料成分及含量、制备方法与实施例7相同，唯一不同在于对照组7制备所得气凝胶隔热材料的堆积密度为190kg/m³。

对照组8的气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体45份、红外遮光剂20份、低膨胀/负膨胀材料粉体35份、硅烷偶联剂21份、有机结合剂0.2份；所述气凝胶粉体为比表面积大于10m²/g且纯度大于99％的气相二氧化硅气凝胶粉体和气相二氧化铝气凝胶粉体的混合物，且所述气相二氧化硅气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为22％，所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为78％；其余原料成分选择及制备方法等与实施例8相同。对照组8所得气凝胶隔热材料的堆积密度为590kg/m³。

对照组9的气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体75份、红外遮光剂10份、低膨胀/负膨胀材料粉体15份、硅烷偶联剂0.9份、有机结合剂0.6份；所述原料成分选择及制备方法等与实施例9相同。

对照组10的气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体50份、红外遮光剂25份、低膨胀/负膨胀材料粉体25份、硅烷偶联剂2份、有机结合剂0.09份；所述原料成分选择及制备方法等与实施例10相同。

对照组11的气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体50份、红外遮光剂30份、低膨胀/负膨胀材料粉体20份、硅烷偶联剂9份、有机结合剂1.1份；所述原料成分选择及制备方法等与实施例11相同。

对照组12的气凝胶隔热材料的制备原料包括以下重量份的成分：气凝胶粉体49份、红外遮光剂10份、低膨胀/负膨胀材料粉体41份、硅烷偶联剂8份、有机结合剂0.7份；所述原料成分选择及制备方法等与实施例12相同。对照组12所得气凝胶隔热材料的堆积密度为610kg/m³。

分别测试试验组1～12和对照组1～12所述气凝胶隔热材料的热膨胀系数、热导率和最高使用温度。测试方法分别如下：

热膨胀系数：按照国家标准GB/T 7320-87《耐火制品热膨胀试验方法》来进行测试，测试用的设备为湘仪牌PYC型高温热膨胀仪。

热导率：按照国家标准GB10295-88绝热材料稳态热阻及有关特性的测定(热流计法)来进行测试，测试用的设备为湘潭湘科牌DRS-3A型热导率测试仪，测试各组气凝胶隔热材料在800℃时的热导率。

最高使用温度：把气凝胶隔热材料加工成为100×10×10mm的测试用样品。将测试用样品在特定温度T₁下保温3小时后测试其100mm方向的长度变化。如果100mm长度的线收缩率小于2％，则取用新的样品在【特定温度T₁+50℃】的环境中保温3小时后测量其收缩率。直到在某一温度T_n下被测试样品的线收缩率超过了2％，则可认为该样品的最高使用温度为【T_n-50℃】。在每个测温点，被测试样品的样品数量为3，当3个样品的线收缩率都小于2％时，方可进行下一测温点的测试；当3个样品中有一个或一个以上的线收缩率大于2％，则可判定该样品的最高使用温度为【该测温点温度-50℃】。线收缩率＝(100-保温后长度)/100。

测试结果如表1所示。

表1各组气凝胶隔热材料的性能测试结果

由表1数据可知，试验组1的气凝胶隔热材料，使用气相二氧化铝作为气凝胶粉体、锂霞石作为负膨胀材料粉体、碳化硅作为红外遮光剂、在堆积密度为590kg/m³的条件下，得到了最高使用温度为1200℃、热膨胀系数为2.9*10^-6/K、800℃时的热导率为0.148W/mK的气凝胶隔热材料，既保证了低热导率，又提高了气凝胶隔热材料的最高使用温度。

对照组1中，气凝胶粉体占气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量小于本发明所述总重量的最小值(50％)，导致制备出的产品堆积密度超过了本发明所述堆积密度的最高值(600kg/m³)，产品的固态热传导增大，导致产品的热导率超过了本发明所述最高值。

对照组2中，由于气凝胶粉体占气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量大于本发明所述总重量的最大值(90％)，导致气凝胶粉体的占比挤占了红外遮光剂的占比，红外遮光剂的添加量不足，导致高温时(800℃)因为红外辐射的热损失增大，热导率超过了本发明所述热导率的最大值。

对照组3中，气相二氧化硅在气凝胶粉体原料当中的占比超过了本发明所述的最高占比(99％)，所以制备出的产品的最高使用温度为800℃，低于本发明所述最高使用温度，不在本发明所讨论的范围之中。

对照组4中，由于气相二氧化铝的添加量超过了本发明所述添加量的最大值(气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量当中的质量百分含量为0.5～67％)，导致制备出的产品的热膨胀系数超过了本发明所述热膨胀系数的最大值，在多次使用后由于热胀冷缩导致产品的表面开裂，无法继续使用。

对照组5中，由于红外遮光剂的添加量小于本发明所述红外遮光剂添加量的最小值(10％)，导致制备出的产品因为红外辐射量过高而使得热导率超过了本发明所述热导率的最大值。

对照组6中，由于红外遮光剂的添加量大于本发明所述红外遮光剂添加量的最大值(50％)，导致产品的堆积密度超过了本发明所述堆积密度的最大值(600kg/m³)，产品的固态热传导增大，导致产品的热导率超过了本发明所述最高值。

对照组7中，由于制备出的产品的堆积密度小于本发明所述堆积密度的最小值(200kg/m³)，导致强度不足，所以在测试的时候就破裂了，无法进行其余项目的测试。

对照组8中，由于硅烷偶联剂的添加量超过了本发明所述硅烷偶联剂添加量的最大值(20％)，导致过量的硅烷偶联剂把气凝胶的气孔堵塞，增加了固体热传导，使得制备出的产品的热导率超过了本发明所述热导率的最大值。

对照组9中，由于硅烷偶联剂的添加量小于本发明所述添加量的最小值，导致气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体没有得到很好地分散，在测试热膨胀系数时发现在不同位置取用的产品测得的数据差异很大，没有实际意义。

对照组10中，由于有机结合剂的添加量小于本发明所述有机结合剂添加量的最小值(0.1％)，导致在压缩成型的时候没有形成足够的絮状沉淀，导致固体原料随着多余的水被挤压出成型用模具当中，最终得到的产品重量要远远小于固体原料的投入量，使得测试并不具有意义。

对照组11中，由于有机结合剂的添加量超过了本发明所述有机结合剂添加量的最大值(1.0％)，导致有机结合剂投入到混合物当中后，形成的絮状沉淀物的尺寸过大，在压缩成型后，成型体中由于絮状沉淀物之间的空隙过大，导致烧结后的产品中出现了大量的裂痕，导致产品无法继续测试。

对照组12中，由于低膨胀/负膨胀材料粉体的添加量超过了本发明所述添加量的最大值(40％)，导致气凝胶粉体的添加占比不足，制备出产品的堆积密度太高，导致固态热传导上升，产品的热导率超过了本发明所述热导率的最大值。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种低膨胀耐高温气凝胶隔热材料，其特征在于，其制备原料包括气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体、硅烷偶联剂和有机结合剂；

所述气凝胶粉体包括亲水性气相二氧化硅气凝胶粉体和亲水性气相二氧化铝气凝胶粉体，且所述气相二氧化硅气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为0～99％，所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体中的质量百分含量为1～100％。

2.如权利要求1所述的低膨胀耐高温气凝胶隔热材料，其特征在于，所述气凝胶粉体的添加量为气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的50～90％；所述红外遮光剂的添加量为气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的10～50％；所述低膨胀/负膨胀材料粉体的添加量为气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的0～40％。

3.如权利要求2所述的低膨胀耐高温气凝胶隔热材料，其特征在于，所述气相二氧化硅气凝胶粉体在所述气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量当中的质量百分含量为0～89.1％，所述气相二氧化铝气凝胶粉体在所述气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量当中的质量百分含量为0.5～67％；优选地，所述气凝胶粉体的比表面积大于10m²/g。

4.如权利要求1所述的低膨胀耐高温气凝胶隔热材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂的添加量为气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的1～20％；所述有机结合剂的添加量为气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体总重量的0.1～1％。

5.如权利要求1～4任一项所述的低膨胀耐高温气凝胶隔热材料，其特征在于，所述低膨胀/负膨胀材料粉体包括堇青石、透锂长石、锂辉石、锂霞石、钨酸锆中的至少一种；优选地，所述低膨胀/负膨胀材料粉体的中心粒径D50小于100μm。

6.如权利要求1～4任一项所述的低膨胀耐高温气凝胶隔热材料，其特征在于，所述红外遮光剂包括碳化硅粉体、氧化锆粉体、硅酸锆粉体、六钛酸钾粉体、碳化硼中的至少一种；优选地，所述红外遮光剂的中心粒径D50小于100μm。

7.如权利要求1～4任一项所述的低膨胀耐高温气凝胶隔热材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂包括正硅酸乙酯、乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅、丙基三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷中的至少一种。

8.如权利要求1～4任一项所述的低膨胀耐高温气凝胶隔热材料，其特征在于，所述有机结合剂包括聚丙烯酰胺、聚合氯化铝、聚丙烯酸中的至少一种。

9.如权利要求1～4任一项所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料，其特征在于，所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的膨胀系数小于3×10^-6/K，最高使用温度为850℃～1200℃，堆积密度为200～600kg/m³，在800℃时的热导率小于0.15W/mK。

10.一种如权利要求1～9任一项所述低膨胀耐高温气凝胶隔热材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

(1)分别称取气凝胶粉体、红外遮光剂、低膨胀/负膨胀材料粉体并加入水中搅拌混合均匀，得到混合物；将有机结合剂用水稀释；

(2)在步骤(1)中的混合物中加入硅烷偶联剂，搅拌均匀后加入步骤(1)中稀释后的有机结合剂，搅拌至形成絮状沉淀物；

(3)将步骤(2)中的絮状沉淀物静止至所述絮状沉淀物完全沉入容器底部，除去沉淀物上的多余水分，将剩余泥浆倒入成型模具中压缩使多余水分挤出，即得成型体；

(4)将步骤(3)所得成型体干燥后煅烧，即得低膨胀耐高温气凝胶隔热材料。