气凝胶是优良的绝热体，并具有其它特殊的物理性质。但气凝胶材 料本身通常相当脆弱并缺乏在多种最终应用中所需的强度。为此，进行 过多种尝试以强化气凝胶，特别是在制造时向其中加入纤维或将气凝胶 前体组合物渗入强度较高的多孔结构中，所述制造气凝胶的方法例如熟 知的溶胶-凝胶工艺。将这些材料结合可产生一种单独与气凝胶材料或 单独与多孔碳结构材料相比具有整体改善的特性的复合材料。而且，这 些复合材料可用于多种应用，例如宇宙飞船等的热防护系统，或作为炉 体保温材料或防火隔离材料，以及用于隔热和隔音，以及用于电子元件 例如超级电容中。
这就是有机气凝胶与碳泡沫材料——网状玻璃态碳(reticulated vitreous carbon)(RVC)——形成的复合材料的情形。气凝胶提供特殊 的光学、热学、声学和电学性质，而RVC为复合材料提供强度。而且， 气凝胶和RVC均可以非常轻。为此，可通过将气凝胶前体组合物渗入已 经过处理的RVC泡沫中来制造气凝胶与RVC的复合材料。然而，常规的 气凝胶渗透处理需要较大的、昂贵的处理设备。此外，已知对气凝胶的 后续处理会导致气凝胶的收缩和裂缝，从而有可能损害所得复合材料的 特性。
因此，本申请描述了通过一种更易于放大并节约成本的工艺来制造 有机气凝胶与RVC的复合材料的方法。该工艺可减少制造复合材料所需 的总的处理时间并减少或消除复合材料常见的收缩和裂缝。
发明内容
本申请描述了相对轻质的、高强度的且具有低热导率的复合材料及 其制造方法和用途。
本发明的其它优点一部分在以下说明书中给出，一部分可由说明书 推导出，或者可通过对本发明的实施而得知。除了本申请所公开的优点 之外，本发明的其它优点还可通过利用所附的权利要求中所特别指出的 要素和组合来实现和获得。应认识到之前的概述和以下的详述、附图和 实施例仅为示例性的和解释性的，并不像权利要求一样对本发明进行限 制。

所附的图包括在本说明书中并作为本说明的一部分，其示例说明本 发明的几种实施方式，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1所示为未组装的流通单元(flow cell)的透视图。
图2所示为组装的流通单元的透视图。
图3所示为一种用于软模(soft mold)工艺的不锈钢气凝胶复合 材料处理工具。
图4所示为炉中的一个大型气凝胶复合材料。
图5所示为在真空袋中的固化的复合材料。
图6所示为溶剂洗涤中的、带有处理工具的气凝胶复合材料。
图7所示为三种气凝胶复合材料的计算机辅助断层X射线图。
图8所示为一种气凝胶复合材料的截面的计算机辅助断层X射线 图。
图9所示为一种气凝胶复合材料的计算机辅助断层X射线扫描图的 拼贴图。
图10所示为碳泡沫材料、碳气凝胶和本发明的气凝胶复合材料的 热导率相对于温度的变化图。

通过参照以下对本发明的优选方面的详细描述及其所包括的实施 例，并参照附图及上下文对其的描述，可更容易地理解本发明。然而， 在公开和描述本发明的组合物、制品、设备和/或方法之前，应认识到 本发明不局限于本申请公开的具体的合成方法、具体实施方式或具体设 备，它们当然是可以改变的。还应认识到此处所用术语仅是为了用于描 述本发明的具体方面，并不欲作出限制。
应指出，说明书和所附的权利要求中使用的单数形式“一”、“一 个”和“该”包括复数的指代物，除非文中明确作相反说明。
本申请中范围可表示为从“约”一个具体数值，和/或至“约”另 一具体数值。当表述这样一个范围时，另一种实施方式包括从该一个具 体数值和/或至该另一具体数值。类似地，当通过使用前置修饰词“约” 将数值表示为近似值时，应认识到该具体数值形成另一种实施方式。
在本说明书和其后的权利要求中，将会使用多个定义为如下含义的 术语：
本申请中使用的术语“任选的”或“任选地”意为其后所述的事件 或情形可发生或可不发生，并且说明书包括所述事件或情形发生的情况 以及所述事件或情形不发生的情况。
本申请中通过使用术语“有效的”、“有效量”或“有效的条件” 来表示该量或反应条件能够实现化合物的功能或有效量所表述的性质。 正如下文中将指出的，所需的确切量可从一个方面变化到另一个方面， 取决于公认的变量，例如所使用的原料或化合物以及观察到的工艺条 件。因此，并不总能指定确切的“有效量”或“有效的条件”。然而， 根据本申请的公开内容，应认识到合适的有效量可容易地由一个本领域 普通技术人员仅通过常规实验确定和/或优化。
本申请中使用的术语“孔隙率”拟用于指一种给定材料的每英寸长 度(per-linear-inch)的孔个数(ppi)的平均值。本申请中的孔隙率的 测定可对网状玻璃态碳前体、有机气凝胶、有机气凝胶与RVC泡沫的复 合材料或碳气凝胶复合材料进行。
本申请中使用的术语“网状玻璃态碳”(RVC)泡沫为一种仅由玻 璃态碳组成的开孔泡沫材料。玻璃态碳是一种玻璃状形式的碳，该形式 的碳结合了玻璃的一些性质和普通工业碳的性质。RVC具有低的相对密 度(3％)、高的表面积和刚性、低的流体流动抗性，并且能够在非氧化 环境中耐受非常高的温度。可从市面购得很大范围内的孔径级别的 RVC，所述孔径范围为约5PPI至约100PPI。例如，可从Ultramet公司 获得的系列RVC产品ULtraFoam。就UltraFoam而言，RVC可具有例如 10、20、45、65、80或100ppi的孔隙率。RVC泡沫在很宽温度范围内 具有独特的惰性，并具有非常低的本体热导率和高的电导率。其不寻常 的刚性几何形态提供了大的表面积和低的流体流动压降。此外，RVC泡 沫的结构提高了其在受控的孔隙率范围内保留充入的材料的能力。
本申请中使用的术语“网状玻璃态碳前体”为任何在热处理(例如 热解)时转化为网状玻璃态碳的化合物或化合物的混合物。
本申请中使用的术语“基质”拟用于指一种网状的多孔气凝胶材料， 其中嵌入复合材料的网状玻璃态碳成分。
本申请中使用的短语“紧密接触”指气凝胶基质至少大体上与至少 一部分网状玻璃态碳前体或网状玻璃态碳增强结构相接触。
本申请中使用的术语“渗入”指通过使有机气凝胶前体组合物渗透 网状玻璃态碳前体的孔结构而进入网状玻璃态前体。
本申请中使用的术语“热解”的动词或名词形式指通过加热而使有 机化合物或组合物分解或转化为纯的或基本纯的碳。此外，术语“基本 纯”用于碳时拟用于指至少大于80％的纯度、至少大于85％的纯度、至 少大于90％的纯度、至少大于95％的纯度或者甚至大于99％的纯度的碳。
本申请中使用的术语“碳气凝胶”指一种有机气凝胶，所述有机气 凝胶已经过热解处理从而将有机气凝胶组合物分解或转化为至少基本 纯的碳。
公开了可用于所公开的方法和组合物、可与所公开的方法和组合物 共同使用、可用于制备所公开的方法和组合物或者作为所公开的方法和 组合物的产品的化合物、组合物和组分。上述物质和其它物质在本申请 中公开，并且应认识到当公开了这些物质的组合、子集、相互作用、组 等时，尽管没有明确公开这些化合物的单个或集体的具体组合和排列， 也认为每种组合和排列在本申请中被具体考虑到并公开。例如，如果公 开并讨论了一些不同的含羟基化苯的化合物以及一些醛，则具体考虑了 这些含羟基化苯的化合物和醛的每种组合和排列，除非明确作相反说 明。因此，如果公开了一类分子A、B和C以及一类分子D、E和F并公 开了一种分子组合的实例A-D，则即使没有单独描述，也单独地或集体 地考虑了每种组合。因此，在本实例中，由于公开了A、B和C，D、E 和F，以及组合的实例A-D，则组合A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、 C-E和C-F中的每一种被具体考虑到并应被认为获得了公开。同样，它 们的任何子集或组合也被具体考虑到并公开。因此，例如亚组A-E、B-F 和C-E是被具体考虑到的，并应认为由于公开了A、B和C，D、E和F， 以及组合的实例A-D，从而获得了公开。这一概念适用于本申请公开内 容的所有方面，包括但不限于制造和使用所公开的组合物的方法中的步 骤。因此，如果有多种可实施的其它步骤，应理解为这些其它步骤中的 每一个都可与所公开的方法的任意具体实施方式或实施方式的组合共 同实施，并且每种这样的组合是被具体考虑到的并应认为得到了公开。
一方面，本申请描述了一种用于制造有机气凝胶复合材料的方法， 所述有机气凝胶复合材料包含一种有机气凝胶和一种网状玻璃态碳泡 沫。根据所述方法，将一种有机气凝胶前体组合物渗入一种网状玻璃态 碳前体中，然后在能够有效地生成固化的或胶凝的气凝胶的条件下固化 一段足够长的时间。固化后，再对气凝胶进行处理并干燥到至少基本上 去除水，以获得一种与网状玻璃态碳前体紧密接触的多孔有机气凝胶聚 合物基质。一方面，在气凝胶干燥之后，将干燥并固化的有机气凝胶和 网状玻璃态碳前体的复合材料热解到至少基本将气凝胶聚合物分解并 将有机气凝胶聚合物还原至形成基本纯的多孔碳基质。
常规的RVC前体可从市面获得并且可制造和/或获得多种尺寸、形 状和结构的RVC前体。此外，本领域技术人员可认识到，RVC前体还可 被加工为几乎任何所需的结构。适用于本发明的制造RVC前体的示例性 方法在美国专利6,103,149、6,040，266和5,372,380中进行了公开和 描述；现将其公开的全部内容以全文引用的方式纳入本申请中。一方面， RVC前体是通过一种羟基化苯与一种醛的反应生成的一种聚合物。另一 方面，RVC前体是一种充满了一种或多种树脂的网状聚氨酯。另一方面， 市售的网状玻璃态碳前体可从Ultramet公司获得，其具有本申请中给 出的任意一种或多种所需的特征和/或性质。
一方面，适用于本发明的RVC前体以及热解的复合材料具有在约3 孔/英寸(ppi)至约150孔/英寸(ppi)的范围内的平均孔隙率，包括 但不限于孔隙率为5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、 65、70、75、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125、130、 135、140、145和由这些点产生的任何范围。另一方面，适用于本发明 的RVC前体以及经过热解的复合材料的体积密度在约0.01g/cm3至约 0.10g/cm3的范围内，包括但不限于密度为0.015、0.02、0.025、0.03、 0.035、0.04、0.045、0.05、0.055、0.06、0.065、0.07、0.075、0.08、 0.085、0.09、0.095g/cm3和由这些点产生的任何范围。
常规的气凝胶前体组合物是一种包括一种或多种羟基化苯化合物、 一种或多种醛、一种或多种催化剂和水的混合物。为此，可将任何常规 气凝胶前体组合物用于本发明。例如，一方面，气凝胶前体组合物包含 间苯二酚作为羟基化苯化合物以及甲醛作为醛组分。另一可选的方面， 气凝胶前体组合物可包含苯酚作为羟基化苯化合物以及甲醛作为醛化 合物。尽管任何已知适用于制造气凝胶的催化剂都可以使用，一方面， 碳酸钠可作为催化剂组分。制备适合的气凝胶前体组合物的示例性方法 在美国专利5,945,084中被公开和描述，现为全部目的将其所公开的全 部内容以援引的方式纳入本申请。一方面，气凝胶前体包含2，4-二羟 基苯甲酸的钾盐和甲醛。
一方面，为了将气凝胶渗入RVC前体，首先将RVC前体置于一个流 通模具或流通单元中，例如图1中所示的装置。本申请中使用的术语“流 通单元”或“流通模具”拟用于指在本申请中所述的任意一个或多个后 续处理步骤中能够支持网状玻璃态碳前体的任何流通式装置。例如，一 方面，流通单元可在渗入有机气凝胶前体组合物的过程中支持网状玻璃 态碳前体。另一方面，流通单元可在有机气凝胶前体组合物固化的过程 中被封闭并用作一种模具。另一方面，流通单元被构造和设置成使得后 续的气凝胶处理液通过一种固化的气凝胶和RVC的复合材料。为此，一 方面，流通单元用耐溶剂、耐常规气凝胶处理条件例如加压和升温条件 的聚合物材料制造。而且还应认识到，在一个实例中，本发明的流通单 元的尺寸和形状可设置为能够支持和/或制造一种具有任何所需的尺寸 和形状的有机气凝胶复合材料。此外，另一方面，应认识到本发明的流 通单元可被整合在一个压力容器系统中。
一方面，如图1和2所示，一种示例性的流通单元包括三个可栓接 在一起的聚合物环。为此，可使用任何适用于流通模具的常规聚合物材 料。然而，一方面，流通模具由可从Dupont购得的Delrin聚合物构 成。一个烧结的不锈钢圆盘位于每两个环之间并支持将受到渗入的网状 玻璃态碳泡沫。应认识到尽管图1的流通模具被构造为能够接纳圆盘形 的网状玻璃态碳前体，但该流通单元也可被构造和设置为使得其能够接 纳具有任何所需的尺寸和形状的网状玻璃态碳前体。
另一方面，流通单元由不锈钢构成并设计为用于所述复合材料的大 规模制造。在这一方面，不需要插入物(insert)(例如Delrin)。
一方面，将RVC前体固定于流通单元中并抽成真空。然后使气凝胶 前体组合物流入流通模具以渗入并至少基本充满RVC前体的孔洞。为了 促进气凝胶前体渗入RVC前体，可使用真空。使用流通单元方法的一个 优点是减少了用于最终形成气凝胶复合材料的处理流体。
一方面，将气凝胶前体组合物渗入RVC前体后，封闭流通模具并将 气凝胶前体组合物加热一段足够长的时间并达到足够的温度以使气凝 胶前体组合物固化。可例如使用任何常规设备加热有机气凝胶。或者， 可使用连续流动设备。一方面，封闭的流动模具本身是耐热容器，以使 得装有渗入了有机气凝胶前体组合物的RVC前体的整个流通单元可置 于恒温控制炉中。为此，固化过程中一般不需要特殊的气氛。
另一方面，可将RVC前体置于“软模”中，所述软模是一种用于强 化RVC前体的框架。在这一方面，装有RVC前体的软模被置于一个真空 袋中。然后将气凝胶前体加入RVC前体中，之后施加真空以去除过量的 气凝胶前体，真空袋变紧。然后将装有模具的真空袋转移到一个炉中以 进行后续的加热和固化。所述软模可用多种材料制造，例如不锈钢。软 模的使用使得能够形成几乎任何形状或尺寸而无需较高的加工成本。
本领域普通技术人员可认识到的是，固化循环(cure cycle)—— 即所需的固化时间和温度状况——取决于所用的具体气凝胶前体组合 物。一方面，固化循环包括将封闭的模具(例如流通单元或软模)加热 到约60℃至约100℃范围内的一个固化温度，所述固化温度包括但不限 于例如65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃和95℃的温度。此外， 所需的使气凝胶前体组合物固化的时间可随所用的具体气凝胶前体组 合物、固化温度和待固化的气凝胶前体组合物的量变化。一方面，使气 凝胶前体组合物固化所需的时间可在约2小时至约500小时的范围内， 包括但不限于时间为5、10、15、20、25、30、35、40、45、55、60、 65、70、75、80、85、90、95、100、150、200、250、300、350、400、 450小时，以及由这些点产生的任何范围。
一方面，固化后，可将有机气凝胶聚合物通过一种流通方法洗涤并 干燥，以去除残留的水并生成一种与网状玻璃态碳前体紧密接触的干燥 的有机气凝胶基质。一方面，所述流通方法首先包括一个溶剂交换步骤， 以从有机气凝胶复合材料中去除水。为此，在本发明的方法中可使用适 于进行溶剂与水的交换的任何有机溶剂。在本发明的一方面，使用丙酮 从固化的有机气凝胶中去除水。其它溶剂包括但不限于轻质醇(例如乙 醇、甲醇、丙醇、异丙醇)。一方面，当使用流通单元时，将装有固化 的气凝胶复合材料的流通单元置于加压容器例如Parr压力容器系统 中。然后将压力容器中充入足量的有机溶剂以完全覆盖有机气凝胶。然 后在加压条件下，使有机溶剂例如丙酮通过流通单元或流通模具，以至 少基本去除固化的气凝胶复合材料中存在的水。所用的有机溶剂的量和 洗涤步骤的时间/压力可由本领域普通技术人员确定。
通过与有机溶剂进行溶剂交换将水至少基本(例如高于80％、高于 85％、高于90％、高于95％或者甚至高于99％的水)从复合材料中去除后， 一方面，可通过使用液态二氧化碳进行溶剂交换而从固化的气凝胶中去 除有机溶剂。在这一方面，将流通单元重新置于加压容器中并使液态二 氧化碳通过流通单元。CO2的压力可由本领域普通技术人员确定。一方 面，此步骤可在800psi及20℃进行。
将有机溶剂至少基本(例如高于80％、高于85％、高于90％、高于 95％或者甚至高于99％的有机溶剂)从固化的气凝胶中去除后，可将装 有气凝胶复合材料和液态二氧化碳的加压流通单元处理至超临界条件 以使液态二氧化碳转化为气相。一旦二氧化碳至少基本转化为气相，则 在高于二氧化碳的临界温度的温度下将流通单元系统中的压力释放以 保证固化的气凝胶内没有凝结的液体生成。所得的干燥的固化复合材料 包含一种与网状玻璃态碳前体紧密接触的干燥的有机气凝胶基质。
在实施本申请中所描述的流通单元方法时会认识到的是，对流通单 元中的固化的气凝胶进行的处理使得处理液(即有机溶剂、液态二氧化 碳和气态二氧化碳)流过流通单元的烧结的钢盘并流入固化的气凝胶。 这减少了依靠相对较低的扩散速度进行的常规蒸发干燥方法所用的处 理时间。例如，已知典型的和常规的气凝胶处理需要花费约两个月(60 天)的时间来完成。但当使用流通处理方法时，提供干燥的有机气凝胶 和网状玻璃态碳泡沫的复合材料所需的总处理时间可减少到约两周或 更少。而且，流通处理限制或甚至消除了有机气凝胶基质在处理过程中 的收缩，并因此可提供一种基本无分离的有机气凝胶复合材料。
如果需要，可以使用常规方法对有机气凝胶和RVC前体复合材料进 行热解以形成碳气凝胶复合材料，此处称其为热解的复合材料。一方面， 将低密度的干燥并固化的气凝胶置于恒温炉中，并在适合的气氛下加热 到热解温度进行一段时间的热解。本申请中使用的术语“适合的气氛” 涉及能够使得固化且干燥的有机气凝胶进行高温热解以形成一种低密 度开孔碳气凝胶复合材料的任何气氛。一方面，适合的气氛是非氧化性 的。一种适合的气氛可为相对惰性的，例如干燥的氮气。或者，适合的 气氛可为一种还原性气氛，例如氢气。热解温度可随热解时间、干燥并 固化的有机气凝胶的具体组成以及待热解的复合材料的量而变化。热解 温度一般为约200℃至1,500℃，并且包括其间的任何温度梯度。热解 时间可随热解温度、干燥并固化的有机气凝胶的具体组成以及待热解的 复合材料的量而变化。一方面，热解时间为约1至24小时。
另一方面，本发明提供一种包含一种多孔有机气凝胶基质和网状玻 璃态碳泡沫的有机气凝胶复合材料，其中多孔碳气凝胶基质与网状玻璃 态碳泡沫紧密接触。本发明的有机气凝胶的特征可为相对较大的表面 积、相对较高的强度、相对较低的热导率和相对较高的孔隙率。例如， 本申请所述的热解的有机气凝胶和RVC泡沫复合材料的密度在 0.05g/cm3至约0.35g/cm3范围内，包括但不限于密度为0.10g/cm3、 0.15g/cm3、0.20g/cm3、0.25g/cm3、0.30g/cm3或由这些点产生的 任何范围。
另一方面，本申请所述的热解的复合材料的表面积在约100m2/g至 约1000m2/g之间，包括但不限于表面积为150m2/g、200m2/g、250m2/g、 300m2/g、350m2/g、400m2/g、450m2/g、500m2/g、550m2/g、600m2/g、650m2/g、 700m2/g、750m2/g、800m2/g、850m2/g、900m2/g、950m2/g或由这些点产 生的任何范围。
本申请所述的复合材料和方法的多个优点之一为复合材料提高的 强度和尺寸稳定性。例如，本申请所述的复合材料在加工过程中的破损 率为约5％；而纯气凝胶则为近50％。这是由于通过本申请所述的方法制 造出来的复合材料具有的尺寸稳定性之故。高的尺寸稳定性和低的热导 率相结合使得本申请所述的复合材料可用于多种应用。
另一方面，本发明提供几种包含本申请所述的碳气凝胶复合材料的 制品。例如，考虑到一种包括本申请所述的碳气凝胶复合材料的热防护 系统。一方面，所述热防护系统是一种包括本申请所述的一种气凝胶复 合材料的砖。为此，一方面，所述热防护系统砖可进一步包括一种氧化 防护系统。另一方面，所述热防护系统砖可包括一种辐射防护系统。本 领域普通技术人员应认识到的是，另一方面，可构想本发明的热防护系 统可用于一种被设计为进行太空飞行并随后重新进入地球大气层的飞 行器中。
还考虑到本申请所述的复合材料可用于燃料电池或者汽车或其它 机器上的内燃机的热控制。另一方面，本申请所述的复合材料可用于燃 料电池组的膜电极组件(MEA)材料。另一方面，所述复合材料可用于 汽车或工业设备的热回收系统中。另一方面，所述复合材料可用于电容 器或其它电子元件中。一方面，所述复合材料可用作减少污染或化学处 理中的催化剂或催化剂载体。另一方面，所述复合材料可用于汽车、住 宅或商用建筑、公共交通工具、包装、太空探测器或星际结构的隔热。
实施例
给出以下实施例和实验数据以为本领域普通技术人员提供对本申 请所公开并要求保护的氧化剂扩散设备如何制造、使用和/或评价的充 分公开和描述，其拟单纯用于示例性说明本发明而不欲对发明人认为的 本发明的范围作出限制。已尽力保证数字(例如量、温度等)的准确性。 但一些误差和偏差应当予以考虑。除非另有说明，份数为重量份，温度 用℃表示或者为环境温度，压力为大气压或接近大气压。
实施例1——台式(低压)流通单元和不锈钢模具
1.将从Ultramet公司购得的RVC前体Ultrafoam切割以完全充满 四个200ml的不锈钢静态模具(static mold)和一个300ml的不锈钢 流通单元。
2.将RVC前体置于每个模具中并将这些模具栓接起来。
3.将2,000.0g水、256.80g间苯二酚、392.80g甲醛和1.3607g 碳酸钠混合。搅拌至所有固体溶解且物质被充分混合。该混合物即为表 1中的制剂4。表1还提供了其它气凝胶前体制剂。
 表1  1  2  3  4  5  6  8  1/2  水  间苯二酚  甲醛  碳酸钠  1000  32.1  49.1  0.17  1000  64.2  98.2  0.34  1000  96.3  147.3  0.51  1000  128.4  196.4  0.68  1000  160.5  245.5  0.85  1000  192.6  294.6  1.02  1000  256.8  392.8  1.36  1000  16.05  24.55  0.085  水  间苯二酚  甲醛  碳酸钠  100  3.21  4.91  0.017  100  6.42  9.82  0.034  100  9.63  14.73  0.051  100  12.84  19.64  0.068  100  16.05  24.55  0.085  100  19.26  29.46  0.102  水  间苯二酚  甲醛  碳酸钠  2000  64.2  98.2  0.34  2000  128.4  196.4  0.68  2000  192.6  294.6  1.02  2000  256.8  392.8  1.36  2000  321  491  1.7  2000  385.2  589.2  2.04
4.将各模具抽气到至少29英寸汞柱的真空，然后使用入口阀控制 由(3)得到的树脂混合物流入模具直至流动停止。对各模具称重以保 证完全渗入，然后将其置于80℃的炉中33小时。将炉关掉并使其冷却 过夜。
5.冷却后，从静态模具中移出湿的气凝胶复合材料并放入至少15 升丙酮中以进行扩散。每天进行丙酮交换，至少进行三天。水扩散出去 之后，从丙酮中取出气凝胶并放入压力容器中进行二氧化碳交换。封闭 容器并充入液态二氧化碳。将容器压力用泵提高至1,400psi。用泵使 液态二氧化碳通过压力容器，对流出物进行收集和检测。当流出物中不 再有丙酮时，封闭压力容器并加热至50℃。使用出口阀控制容器压力 处于1,800psig。在50℃保持至少一小时，然后使二氧化碳从容器中以 不超过200psig/小时的速度流出。压力低于600psig之后，将容器冷 却至室内条件。当容器释放完全部压力后，将其打开并移出干燥的有机 气凝胶复合材料。
6.在扩散样品进行丙酮交换的过程中，将冷的流通单元与丙酮原 料槽和泵连接。控制进料压力为50psig，使2升丙酮用四天流过气凝 胶。洗涤后，从流通单元中移出气凝胶并放入压力容器中进行二氧化碳 交换。将容器封闭并充入液态二氧化碳。通过泵将容器压力提高到 1,400psi。用泵使液态二氧化碳通过压力容器，对流出物进行收集和检 测。当流出物中不再有丙酮时，封闭压力容器并加热至50℃。使用出 口阀控制容器压力处于1,800psig。在50℃保持至少一小时，然后使二 氧化碳从容器中以不超过200psig/小时的速度流出。压力低于600psig 之后，将容器冷却至室内条件。当容器释放完全部压力后，将其打开并 移出干燥的有机气凝胶复合材料。测量并称重：(36g，直径3.33英寸， 高1.62英寸)。
实施例2-软模
1.切割13.6×8.8×2.2”的Ultrafoam块。置于软模框架中。图 3示出了可用于本申请的框架的一方面。使用合适材料的真空袋及渗入 板。使用真空泵抽至高于29”Hg的真空并保持此状态以使系统保持真 空。
2.将2,000.0g水、256.80g间苯二酚、392.80g甲醛和1.3604g 碳酸钠混合(表1中的制剂4)。搅拌至所有固体溶解且物质被充分混 合。向6,000g水中加入树脂浓溶液。搅拌直至充分混合。
3.使用入口阀进行控制，缓慢地用树脂溶液填充抽空的RVC前体， 直至所有的流动停止。使用真空泵从模具中去除过量的树脂直至真空袋 重新变紧。称重以保证完全渗入，然后将其置于80℃的炉中两周。图4 显示了炉中的大块气凝胶复合材料。图5显示了固化后真空袋中的复合 材料。
4.从炉中移出。冷却后，去除真空袋材料和渗入板。将湿的气凝 胶复合材料和框架置于至少15升丙酮中进行扩散。这显示在图6中。 每天进行丙酮交换，至少进行三天。水扩散出去之后，从丙酮中取出气 凝胶并放入压力容器中进行二氧化碳交换。封闭容器并充入液态二氧化 碳。将容器压力用泵提高至1,400psi。用泵使液态二氧化碳通过压力 容器，对流出物进行收集和检测。当流出物中不再有丙酮时，封闭压力 容器并加热至50℃。使用出口阀控制容器压力处于1,800psig。在50 ℃保持至少一小时，然后使二氧化碳从容器中以不超过200psig/小时 的速度流出。压力低于600psig之后，将容器冷却至室内条件。当容器 释放完全部压力后，将其打开并移出干燥的有机气凝胶复合材料。
5.将干燥的有机气凝胶复合材料置于碳化炉中。将炉抽空，然后 用氩气吹扫。持续通入氩气，8小时内加热至290℃并保持两小时，然 后用8小时加热至490℃并保持两小时。将炉关掉并使其冷却至室温。 测量碳化的气凝胶，获得重215.25g的10.66×7.06×1.87”的整块材 料。使用表1中的制剂1和2，制得了以下复合材料：制剂1∶12.7英 寸×6.2英寸×2.1英寸/密度为0.13g/cm3。制剂2∶13.4英寸×7.8 英寸×2.0英寸/密度为0.09g/cm3。
实施例3——复合材料的计算机辅助断层X射线图
进行了计算机辅助断层X射线检测(CT扫描)以检验干燥的气凝 胶复合材料的渗入情况和一致性。图7是对三个在不锈钢模具(流通单 元)中进行渗入的气凝胶圆盘的扫描。上方的材料由制剂4生成(45ppi； 0.18 g/cm3)，中间的材料由制剂2生成(65ppi，0.09 g/cm3)，底部 的材料由制剂2生成(45ppi，0.13g/cm3)。气凝胶中可看见泡沫结 构，但看不见孔结构。在图8中，与图7相比可在气凝胶中观察到更明 确的结构。这可通过肉眼观察到的样品中遍布的虫孔状结构得到证实。 图9还显示了由制剂2制造的复合材料(65ppi；0.09g/cm3)中密度 增加的线。这可能是由于在渗入之前进行的抽气过程中工具和泡沫的局 部破损导致的。
实施例4——热导率研究
参见图10，本申请所述的发明的两种复合材料(充以表1中的碳 气凝胶1的45ppi和65ppi的Ultrafoam)与单纯的碳气凝胶相比具有 相似的热导率。开孔的碳泡沫U1trafoam具有高的热导率。因此本发明 的复合材料具有低的热导率和耐变形力，这些都是所需的性质。
在本申请全文中，援引了多篇出版物。现将这些出版物所公开的全 部内容以引用的方式纳入本申请中以更加详尽地描述与本发明相关的 现有技术。
对本领域技术人员来说很明显的是，可对本发明进行多种改进和变 化而不偏离本发明的范围和主旨。在考虑了说明书和本申请所公开的本 发明的实施方式后，本发明的其它实施方式对本领域技术人员来说是显 而易见的。说明书和实施例仅拟作为示例，本发明的实际范围和主旨由 以下权利要求进行说明。
相关申请的交叉参引
本申请要求享受2005年1月26日提交至美国专利与商标局的申请 号为60/647,079的美国临时专利申请的优先权，在此为所有目的将其 公开的内容以全文引用的方式纳入本申请。
致谢
本发明的开发工作部分由美国空军研究实验室(U.S.Air Force Research Laboratory)(合同/许可号F33615-99-C-5002)和美国国 家航空航天局Langley研究中心(NASA-Langley Research Center) (合同号NASI-02043)提供内部支持。美国政府可对本发明享有某些 权利。