一种陶瓷气凝胶的制备方法及陶瓷气凝胶与流程

本申请涉及陶瓷气凝胶制备，尤其涉及一种陶瓷气凝胶的制备方法及陶瓷气凝胶。

背景技术：

1、随着第五代移动通信技术（5g）、物联网、高功率电子器件以及航空航天技术的飞速发展，电子设备正朝着高频化、高集成度、微型化以及高功率密度的方向加速演进。在这一进程中，电磁波信号的密集覆盖与高频传输虽然极大地提升了信息交互效率，但也引发了前所未有的电磁干扰（electromagnetic interference,emi）问题。电磁辐射不仅会导致精密电子元器件发生信号串扰、数据误码甚至功能失效，严重影响设备的可靠性与稳定性，长期暴露于高强度的电磁辐射环境中还会对人类健康构成潜在威胁。

2、此外，现代高端装备的服役环境日益严苛，尤其是在航空航天发动机热端部件、高功率微波器件以及新能源汽车电池热管理系统等领域，电磁屏蔽材料往往需要在高温甚至极端热冲击的环境下长期稳定工作。

3、然而，目前市场上主流的电磁屏蔽材料多以聚合物（如环氧树脂、聚酰亚胺、硅橡胶等）为基体，填充碳系或金属系导电填料。尽管这类材料具有加工性能好、密度低等优点，但其本质仍属于有机高分子材料，耐热性有限。在高温环境下（通常高于250℃-300℃），聚合物基体容易发生软化、熔融甚至热分解碳化，导致材料内部导电网络崩塌，屏蔽效能急剧下降甚至完全失效。此外，大多数聚合物本身具有易燃性，在航空航天等对阻燃要求极高的领域，其应用受到了严格限制。

4、虽然金属材料（如铜、铝、银及其合金）凭借优异的导电性，长期以来被广泛用作电磁屏蔽材料。然而，金属材料普遍存在密度大（重量重）的问题，这与航空航天及便携式电子设备对“轻量化”的极致追求背道而驰。同时，金属材料在潮湿、酸碱等复杂环境中极易发生氧化腐蚀，导致表面导电率下降，进而削弱屏蔽性能。更为关键的是，金属材料的电磁屏蔽机理主要依赖于对电磁波的高反射，这种“反射主导”的屏蔽机制虽然能阻挡电磁波穿透，但无法消除电磁波，反而会造成严重的二次电磁污染，干扰周围其他敏感电子设备的正常工作。

技术实现思路

1、本申请提供了一种陶瓷气凝胶的制备方法及陶瓷气凝胶，旨在解决现有电池屏蔽材料无法兼具轻质、耐高温、有效衰减电磁波等多重属性，进而无法满足航空航天及高温电子设备的电磁防护需求的问题。

2、第一方面，本申请提供了一种陶瓷气凝胶的制备方法，述制备方法包括如下步骤：

3、将纤维素纳米片分散于水中，加入碳化硅纳米颗粒，混合分散，得到纤维素-碳化硅混合分散液；

4、将所述纤维素-碳化硅混合分散液冷冻成型后，进行冷冻干燥，得到纤维素-碳化硅复合气凝胶；

5、将氧化石墨烯分散于水中，得到氧化石墨烯分散液；

6、将所述纤维素-碳化硅复合气凝胶浸入所述氧化石墨烯分散液中，经真空辅助渗透后，进行冷冻干燥，得到得到前驱体复合气凝胶；

7、将所述前驱体复合气凝胶在惰性气氛保护下进行高温热处理，使氧化石墨烯还原为石墨烯，得到纤维素-碳化硅-石墨烯复合气凝胶。

8、在一些实施例中，所述纤维素纳米片与所述碳化硅纳米颗粒的质量比为1:1至1:4。

9、在一些实施例中，所述纤维素纳米片的直径为20nm至50nm，长度为5μm至10μm；所述碳化硅纳米颗粒的粒径为20nm至200nm。

10、在一些实施例中，所述将纤维素-碳化硅混合分散液冷冻成型时，冷冻成型温度为-10℃至-50℃，冷冻成型时间为6h至48h。

11、在一些实施例中，所述将经冷冻成型的纤维素-碳化硅混合分散液进一步冷冻干燥时，所述冷冻干燥的温度为-40℃至-60℃，冷冻干燥压力≤10pa，冷冻干燥时间为24h至72h。

12、在一些实施例中，所述氧化石墨烯分散液的浓度为1mg/ml至10mg/ml。

13、在一些实施例中，所述通过真空辅助渗透以将所述纤维素-碳化硅复合气凝胶浸入所述石墨烯分散液中时，所述真空辅助渗透的时间为20min至90min。

14、在一些实施例中，所述经真空辅助渗透后，进行冷冻干燥时，所述冷冻干燥温度为-40℃至-60℃，冷冻干燥时间12h至48 h。

15、在一些实施例中，所述高温热处理的温度为300℃至1000℃，热处理时间为1h至3h，升温速率为2℃/min至10℃/min，所述惰性气氛为氩气或氮气气氛。

16、另一方面，本申请还提出了一种陶瓷气凝胶，其通过第一方面任一项所述的陶瓷气凝胶的制备方法制备而成。

17、区别于现有技术，本申请提供了一种陶瓷气凝胶的制备方法，利用纤维素纳米片作为骨架模板，通过氢键作用与sic颗粒交织构筑三维多孔网络结构，这种独特的结构设计不仅使得制备得到的陶瓷气凝胶具有极低的密度（小于50 mg/cm³），满足了航空航天等领域对材料轻量化的苛刻要求，而且纤维素骨架提供了丰富的多重反射界面，配合石墨烯构建的连续导电网络，显著增强了材料对电磁波的衰减能力，实现了在保持极低密度的同时，有效吸收带宽超过6 ghz，屏蔽效能大于40 db的优异性能。

18、其次，本发明引入具有优异高温稳定性的碳化硅（sic）作为耐高温介电损耗相，从根本上突破了传统聚合物基屏蔽材料在高温环境下易分解失效的技术瓶颈。sic颗粒与纤维素、石墨烯形成了稳定的复合结构，赋予了气凝胶骨架卓越的热稳定性。经测试，该材料在250℃环境下加热2小时后，仍能保持完整的骨架结构和有效的电磁屏蔽性能，极大地拓展了电磁屏蔽材料在高温及极端热环境下的应用场景。

19、此外，本发明通过“冷冻干燥构筑纤维素-sic骨架—石墨烯复合”的工艺，构建了多重损耗机制，将传统的以反射为主的屏蔽机制转变为以吸收为主，有效避免了二次电磁污染。其中，sic颗粒提供高温下的介电损耗能力，石墨烯均匀包覆于骨架表面提供高导电性以增强欧姆损耗，而纤维素骨架则提供结构支撑并增加界面极化，三者协同作用，实现了宽频带、强吸收的电磁防护效果。同时，该制备工艺流程简单可控，反应条件温和，不仅解决了石墨烯易团聚、难以均匀分散的技术难题，还实现了材料微观结构的精确调控，具有良好的工业化应用前景。

20、本申请实施例的额外层面及优点将部分地在后续说明中描述、显示，或是经由本申请实施例的实施而阐释。

1.一种陶瓷气凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维素纳米片与所述碳化硅纳米颗粒的质量比为1:1至1:4。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维素纳米片的直径为20nm至50nm，长度为5μm至10μm；所述碳化硅纳米颗粒的粒径为20nm至200nm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将纤维素-碳化硅混合分散液冷冻成型时，冷冻成型温度为-10℃至-50℃，冷冻成型时间为6h至48h。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将经冷冻成型的纤维素-碳化硅混合分散液进一步冷冻干燥时，所述冷冻干燥的温度为-40℃至-60℃，冷冻干燥压力≤10pa，冷冻干燥时间为24h至72h。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化石墨烯分散液的浓度为1mg/ml至10mg/ml。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过真空辅助渗透以将所述纤维素-碳化硅复合气凝胶浸入所述石墨烯分散液中时，所述真空辅助渗透的时间为20min至90min。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经真空辅助渗透后，进行冷冻干燥时，所述冷冻干燥温度为-40℃至-60℃，冷冻干燥时间12h至48 h。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温热处理的温度为300℃至1000℃，热处理时间为1h至3h，升温速率为2℃/min至10℃/min，所述惰性气氛为氩气或氮气气氛。

10.一种陶瓷气凝胶，其特征在于，通过权利要求1-9中任一项所述的陶瓷气凝胶的制备方法制备而成。