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鄒小姐：13326633089 -
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陶瓷(ci)纖維以其獨特的低(di)密(mi)度(du)、高強度(du)、耐高溫(wen)、抗氧化(hua)和耐機械(xie)震動性(xing)能，廣泛應用于空天飛行(xing)器、核能發電(dian)和化(hua)工冶金(jin)等領域(yu)，是(shi)熱(re)(re)防護領域(yu)所需的關鍵(jian)高溫(wen)隔(ge)熱(re)(re)材料。由于傳(chuan)統陶瓷(ci)纖維直徑粗（?>5 μm）、脆性大、熱導率高，在實際隔熱領域應用中受到了極大限制。目前，減小纖維直徑，制備微納陶瓷纖維，受到了研究者廣泛關注，是當前微納陶瓷隔熱纖維研究的重點方向。
微納陶瓷(ci)纖維(wei)熱防護材料
陶瓷纖維概述(shu)
陶瓷(ci)纖(xian)(xian)維(wei)是(shi)一種纖(xian)(xian)維(wei)狀輕(qing)質耐火材料，具有重(zhong)量輕(qing)、耐高溫、熱穩定(ding)性好(hao)、導熱率(lv)低、比熱小(xiao)及耐機械(xie)震動(dong)等(deng)(deng)優點，在機械(xie)、冶金(jin)、化工(gong)、石油、陶瓷(ci)、玻璃、電子等(deng)(deng)行(xing)業(ye)都(dou)得到了廣(guang)泛的應用(yong)。目前應用(yong)較廣(guang)有氧化鋯陶瓷(ci)纖(xian)(xian)維(wei)、氧化鋁陶瓷(ci)纖(xian)(xian)維(wei)、莫來石陶瓷(ci)纖(xian)(xian)維(wei)、硅酸(suan)鋁陶瓷(ci)纖(xian)(xian)維(wei)等(deng)(deng)。
1.氧(yang)化鋯陶瓷纖(xian)維
氧(yang)化鋯(gao)陶瓷纖(xian)維是(shi)一種(zhong)多(duo)晶質耐火纖(xian)維材料。由于(yu)ZrO2物質本身的高熔點、不氧化和其他高溫優良特性，使得ZrO2纖維具有比氧化鋁纖維、莫來石纖維、硅酸鋁纖維等其他耐火纖維品種更高的使用溫度，是目前國際上最頂尖的一種耐火纖維材料。
制備氧化鋯(gao)纖維的方法有很多，如噴吹法，靜電紡絲(si)法，溶膠-凝膠法，模板法，浸漬法等，工藝一般時(shi)先(xian)配制(zhi)含有鋯(gao)離子的(de)紡(fang)絲液(ye)，并通過噴絲、拉絲、旋轉甩絲等方法將紡(fang)絲液(ye)制(zhi)成(cheng)有機(ji)和/或無機的前軀體纖維，再將其熱處理轉化為預定組成和結構的氧化鋯陶瓷纖維。
氧化鋯陶瓷纖維SEM
2.氧化鋁陶瓷纖(xian)維(wei)
氧(yang)化鋁陶瓷(ci)纖維(wei)是采用含有Al13膠粒的氧化鋁溶膠和硅溶膠制備可紡性前驅體溶膠，通過噴吹成纖工藝制備凝膠纖維，再經熱處理得到直徑1～7μm的氧化鋁陶瓷纖維。采用溶膠-凝膠方法制備的溶膠體系穩定，含量可控且雜質少；熱處理后的陶瓷纖維柔韌性好，操作性優異，無渣球，可用于復合材料中的增強體、提高材料強度和耐熱性等。
氧化鋁陶瓷(ci)纖(xian)維SEM
3.莫來石陶瓷纖維
莫來石(shi)陶瓷纖維(wei)由莫來石(shi)相(xiang)（3Al2O3·2SiO2）構成的耐高(gao)溫陶瓷(ci)纖維。呈純(chun)白色，外觀光滑柔軟。具(ju)有有優良(liang)的高(gao)溫抗蠕變性(xing)能、優良(liang)的抗熱震性(xing)和抗腐(fu)蝕(shi)性(xing)能。具(ju)體性(xing)能指標如下：
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名稱 |
熔點/℃ |
密度/g/cm3 |
剪(jian)切模量 |
熱膨脹系數/℃-1 |
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莫來石(shi)陶瓷纖維(wei) |
1850 |
3.05 |
202 |
5.3×10-6 |
莫來石熔(rong)點(dian)高且融(rong)(rong)化后粘度低，無法用(yong)(yong)傳統(tong)的熔(rong)融(rong)(rong)拉絲工藝生(sheng)(sheng)產(chan)。為此各國研究者采用(yong)(yong)化學方法陸(lu)續開(kai)發出幾條不同的生(sheng)(sheng)產(chan)路線，溶膠凝膠法是(shi)目前莫來石纖維制備生(sheng)(sheng)產(chan)過程中(zhong)較為普遍采用(yong)(yong)的一種方法。
莫來(lai)石陶瓷纖維SEM圖片
微納陶瓷纖(xian)維
按照纖(xian)維的組成和結構(gou)特點，目前將微納陶(tao)瓷(ci)(ci)隔熱(re)纖(xian)(xian)維分為三類，即微納陶(tao)瓷(ci)(ci)纖(xian)(xian)維氣凝膠、中(zhong)空/多孔微納陶瓷纖維和復合微納陶瓷纖維。微納陶瓷纖維氣凝膠是指將微納陶瓷纖維(wei)組裝(zhuang)成輕(qing)質、高孔隙率的纖維(wei)氣凝膠有助于充分發(fa)揮纖維(wei)自身柔性和(he)低熱導率的特(te)性,有望克服傳統陶瓷隔熱纖維脆性大、熱導率高等不足, 制備出具有較好力學性能的高效隔熱材料,在高溫隔熱領域具有較大應用潛力。
1.微納陶(tao)瓷纖(xian)維氣(qi)凝膠
微(wei)納陶瓷(ci)纖維氣凝膠主要有(you)SiO2復合(he)陶瓷纖維氣凝膠(jiao)、SiC納米陶瓷纖維氣凝膠、碳納米(mi)纖維氣凝膠。
（1）SiO2復合(he)陶瓷纖維氣(qi)凝膠
東(dong)華大學丁彬課題組(zu)以SiO2納米陶瓷纖維為基(ji)體，采用(yong)硼硅溶膠(jiao)為粘結(jie)劑先驅體, 制(zhi)備了纖維(wei)之間由硼(peng)硅酸(suan)鹽陶(tao)瓷連接(jie)的SiO2納(na)米纖(xian)維氣凝(ning)膠。得益于SiO2 納米陶瓷纖維較(jiao)低的熱導率(lv)、較(jiao)好的柔性(xing)和耐高溫性(xing)能及纖維氣凝膠的多孔結構，該氣凝膠(jiao)表現出了(le)較好的(de)隔(ge)熱性能(neng)和壓縮彈性。
SiO2復合陶瓷(ci)纖維氣凝膠(jiao)SEM 照片（左）、隔熱(re)性能測試(shi)紅外成像照片（右(you)）
此外，為進一(yi)步降(jiang)低陶(tao)瓷纖維(wei)氣(qi)凝膠的(de)熱導率，在納米纖維氣凝(ning)膠制備(bei)過程中加(jia)入了SiO2氣凝(ning)膠納米(mi)顆粒，使(shi)SiO2氣(qi)凝膠顆粒(li)均勻分(fen)散在纖維之間的孔隙(xi)中，有效降(jiang)低(di)了(le)纖維氣凝膠(jiao)熱導(dao)率(lv)，但其(qi)壓縮彈性不受影響。上(shang)述(shu)納米纖維氣凝膠, 纖維之間均是剛性的陶瓷節點（如硅硼酸鹽和SiO2）連接。這使得(de)其在(zai)長期(qi)使用過(guo)程中彈性降低(di)，脆性增(zeng)大。
（2）SiC納米陶瓷纖(xian)維氣凝膠
目前，SiC具(ju)有(you)較好(hao)(hao)耐高溫性(xing)(xing)能(neng)的(de)纖維也被用來制(zhi)作纖維氣凝(ning)(ning)(ning)膠。通過(guo)氣相反(fan)應制(zhi)備了SiC納(na)米(mi)纖維氣凝(ning)(ning)(ning)膠。由于纖維氣凝(ning)(ning)(ning)膠高孔隙(xi)率(lv)的(de)特點及SiC納(na)米(mi)纖維自(zi)身較好(hao)(hao)的(de)柔性(xing)(xing)和耐高溫性(xing)(xing)能(neng)，該纖(xian)維(wei)氣凝(ning)膠表現出了優異的(de)隔熱性能和(he)壓縮彈性。
SiC復合陶瓷纖維氣凝(ning)膠SEM 照片（左）、隔熱(re)性能測試光學照(zhao)片（右）
（3）碳(tan)納米纖維氣凝(ning)膠
具有較(jiao)好(hao)壓縮彈性的碳納米纖維氣(qi)凝膠(jiao)也得到了廣泛研究。由(you)于碳材料在有氧氣(qi)氛(fen)中，超過(guo)450℃的條件下存在明顯的氧化，碳納米纖維氣凝膠在空氣環境中使用溫度較低。但其在非氧化環境中使用溫度高達2000℃，在超高溫隔熱領域具有顯著優勢。
目前已(yi)制備(bei)出了多種微納(na)陶瓷纖維氣(qi)凝膠(jiao)，纖維材料的(de)隔(ge)(ge)熱(re)性(xing)能(neng)有了一(yi)(yi)定提高(gao)。但(dan)纖維氣(qi)凝膠(jiao)內部孔洞尺寸較大，氣(qi)體(ti)熱(re)導率較高(gao)。減小其內部孔洞尺寸，有望進(jin)一(yi)(yi)步提高(gao)其隔(ge)(ge)熱(re)性(xing)能(neng)，在未來研究中值得關(guan)注。此外，纖維自身的(de)一(yi)(yi)些不(bu)足（如(ru)強(qiang)度低和耐高(gao)溫(wen)性(xing)能(neng)不(bu)佳等），也是限制纖維氣(qi)凝膠(jiao)在高(gao)溫(wen)隔(ge)(ge)熱(re)領域(yu)應用(yong)的(de)關(guan)鍵問題(ti)。
2.中空/多孔(kong)微(wei)納陶瓷纖維
（1）中空微納陶瓷纖維
目前，制備中空微(wei)納(na)陶瓷隔熱纖維的方法(fa)主要有模板法(fa)和靜電紡絲法(fa)兩(liang)種。
模板法：模(mo)板法制(zhi)備(bei)中空陶(tao)瓷(ci)隔熱纖(xian)維(wei)具有設(she)備(bei)簡單、成本低等優點。南京理工大學(xue)王天馳(chi)課題組分(fen)別采(cai)用蠶(can)絲(si)、木棉(mian)、白茅(mao)和(he)棉(mian)花(hua)等植物纖(xian)維(wei)作為模(mo)板制(zhi)備(bei)了多種直徑(jing)的中空ZrO2陶(tao)瓷纖維。
模板法(fa)制備中(zhong)空ZrO2微納陶瓷纖維SEM圖(tu)片
此外，采用直徑較細（~35 nm），且以具有較好分散性的碲納米線為模板，通過水熱反應結合高溫燒成工藝制備了中空碳納米纖維。研究發現，這種中空納米纖維構成的氣凝膠表現出了較好的壓縮彈性和較低的熱導率。
中(zhong)空碳納米纖維氣凝膠(jiao)制備流程(cheng)示意圖
靜電紡(fang)絲法：靜電紡絲法制備中空纖(xian)維(wei)具有纖(xian)維(wei)直(zhi)徑小和形(xing)貌結構易調控等優點, 是制備微納中空陶瓷纖維的重要方法。下圖為采用同軸靜電紡絲法制備了氮摻雜的中空SiC微納陶瓷纖維和中空SiC微納陶瓷纖維SEM 照片。
氮摻雜的中(zhong)空SiC微納(na)陶(tao)瓷纖(xian)維（左）、中(zhong)空SiC微納(na)陶(tao)瓷纖(xian)維SEM 照片（右）
目前，采用模板(ban)法(fa)和靜電紡(fang)絲(si)法(fa)已制備(bei)出了多種中(zhong)空(kong)微納(na)陶瓷隔(ge)熱(re)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)，并取得了較好的隔(ge)熱(re)效果。但由于纖(xian)(xian)維(wei)(wei)的中(zhong)空(kong)結構極(ji)大地增(zeng)加了纖(xian)(xian)維(wei)(wei)的比表面積，使(shi)得纖(xian)(xian)維(wei)(wei)表面存在(zai)缺陷(xian)的可能性增(zeng)加。因而，目前制備(bei)的中(zhong)空(kong)陶瓷纖(xian)(xian)維(wei)(wei)強度(du)較低。在(zai)未來優化中(zhong)空(kong)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)隔(ge)熱(re)性能的同時，如何有效提高(gao)其強度(du)也是需關注的重點。
（2）多孔微納陶瓷纖維
相比于實(shi)芯和中空纖維(wei)，多孔(kong)結構纖維(wei)使(shi)得固體熱傳(chuan)輸路徑更加曲折、對氣體分子的(de)限制作(zuo)用更大以及對紅外輻射(she)線的(de)反射(she)次(ci)數更多。因(yin)此，構建多孔(kong)結構微納陶瓷纖維(wei)可進(jin)一步降低纖維(wei)熱導(dao)率。研究者已成功制備了(le)多孔(kong)碳納米纖維(wei)、SiO2-ZrO2微納陶瓷纖維，纖維內部豐富的微孔、介孔和納米孔結構，有效降低了其熱導率。值得一提的是，與實芯碳納米纖維膜相比，多孔碳納米纖維膜熱導率降低了近98%。
多孔SiO2-ZrO2纖(xian)維SEM照片
目前，多孔微納陶瓷隔(ge)(ge)(ge)熱(re)(re)纖(xian)維正(zheng)處于新(xin)興階(jie)段，制備具(ju)有較好(hao)力學性能(neng)的(de)多孔微納陶瓷隔(ge)(ge)(ge)熱(re)(re)纖(xian)維還(huan)存在(zai)著較大挑戰(zhan)，是(shi)其未(wei)來(lai)發展中(zhong)面臨的(de)難(nan)題。此外，孔結(jie)構與隔(ge)(ge)(ge)熱(re)(re)性能(neng)之間的(de)構效(xiao)關系等科學問題還(huan)有待進(jin)一(yi)步(bu)研(yan)究。且對(dui)于多孔纖(xian)維的(de)隔(ge)(ge)(ge)熱(re)(re)機制研(yan)究還(huan)不(bu)充分，在(zai)未(wei)來(lai)研(yan)究中(zhong)也需(xu)重(zhong)點關注。
3.復合微納(na)陶瓷纖維
復合微(wei)(wei)納陶(tao)瓷纖維(wei)主要包括(kuo)高反射涂(tu)層復合微(wei)(wei)納陶(tao)瓷纖維(wei)、復相(xiang)微(wei)(wei)納陶(tao)瓷纖維(wei)兩種(zhong)。
（1）高反射涂層復合微納陶瓷纖維
目前，在纖維表面構筑(zhu)高反射率的涂層種類主要有TiO2、In2O3、CeO2 和 SiC 等。在纖維表面構筑 TiO2/SiO2/TiO2多層(ceng)反(fan)射(she)膜，具有較(jiao)好的紅外反(fan)射(she)性能, 有效降低了紅外透過性。與無涂層纖維相比，其消光系數提高了近40%。此外，在 SiO2纖維表面制備摻錫(xi)氧化銦（ITO）反射膜和 ITO/Ag/ITO多層反射膜也可有效降低纖維的紅外透過率。
高反射(she)率涂層纖維（左圖：CeO2/ZrO2纖維SEM照片；中圖：TiO2/莫來石纖維SEM照片；右圖：SiC/莫來石纖維表面SEM照片）
（2）復相微納陶瓷纖維
目前，制備的復相微納陶瓷(ci)纖維主要有(you)兩(liang)種，兩(liang)相(xiang)復合(he)纖(xian)維(wei)和多元均相(xiang)復合(he)纖(xian)維(wei)。
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名稱(cheng) |
特點 |
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兩相復合纖維 |
富ZrO2層的ZrO2/SiC兩相復合纖維 |
纖(xian)維表面的ZrO2層具有較低的固體熱導率，有助于降低纖維間固體熱傳導。同時，芯(xin)部的(de) SiC具有較好的紅外遮蔽性能，能有效降低輻射熱(re)傳輸。 |
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多(duo)元(yuan)均相復(fu)合纖維 |
多元復相 SiZrOC 納米陶瓷(ci)纖(xian)維 |
纖維(wei)內部的復(fu)雜多相構(gou)使其內部存在大量相界面，增加了聲(sheng)子-界面散射，纖維固體熱導(dao)率較低。同時(shi)，纖維內部的 SiC 和自由碳具有較高的紅外反射和吸收能力，有(you)效降低了輻(fu)射熱(re)傳(chuan)導(dao)，因而制備的(de) SiZrOC纖維在高溫條件下具有較低的熱導率。 |
復相微納陶(tao)瓷纖維（左圖(tu)(tu)：ZrO2/SiC纖維制備示(shi)意圖(tu)(tu)；右圖(tu)(tu)：ZrO2/SiC纖維TEM照片）
綜上，目前通(tong)過在纖維表面構筑高反射涂層或(huo)在纖維內部(bu)復合(he)遮(zhe)光劑相(xiang)，有(you)效提高了微(wei)納陶瓷纖維(wei)的高溫隔熱(re)性能。相(xiang)比于傳統陶瓷纖維(wei)和(he)氣凝膠(jiao)隔熱(re)材料，復合微納陶瓷纖(xian)維(wei)較佳的力學(xue)性能和優異的紅外遮(zhe)蔽性能，使其在高溫隔熱領域具有顯著優勢。
陶瓷纖維應用
1.應用于航空航天領域
微納陶瓷(ci)纖(xian)維氣凝膠材料具有優(you)異(yi)的耐高溫、耐腐蝕及隔熱(re)性能，是航空航天飛行器熱(re)防護的主要材料之一(yi)。目前(qian)使用的氣凝膠隔熱材(cai)料主要為微納(na)陶瓷纖維增強的SiO2納米顆粒氣凝膠。同時為提高(gao)納米顆粒與陶(tao)瓷纖維間(jian)材料的結(jie)構穩定性，研究者利用(yong)原(yuan)創(chuang)的三維纖維網絡(luo)重(zhong)構(gou)方法，構(gou)筑了超輕質、超彈性陶瓷納米纖維氣凝膠材料。莫來(lai)石(shi)纖維棉作為高溫絕(jue)熱材料，在航空航天和民(min)用(yong)高端材料領域(yu)也都(dou)有巨(ju)大(da)的(de)市(shi)場前(qian)景。
微納陶瓷(ci)纖(xian)維氣凝膠材料應用于(yu)飛行器熱防(fang)護材料
2.新(xin)能源(yuan)動(dong)力電(dian)池(chi)熱源(yuan)隔斷材料
新能源動力電池發生熱(re)失控時，電芯溫度(du)會迅速升高(gao)，可突(tu)破1000℃，造成電池組起火。SiO2復合微納陶瓷(ci)纖維氣凝膠材料應用(yong)于電池模塊的模組(zu)間和殼體內，作為隔(ge)熱(re)材料，通(tong)過其(qi)本身低導(dao)熱(re)系數和隔(ge)熱(re)性良好的特性實現對電芯(xin)的防護。
微(wei)納陶瓷纖維應用于新(xin)能(neng)源動力電池熱源隔斷(duan)材(cai)料(liao)
3.增(zeng)(zeng)強增(zeng)(zeng)韌材料
目前連續SiC微納陶瓷纖維增韌SiC陶瓷復合材料可以應用于航空領域的部位主要有發動機燃燒室內襯、燃燒室筒、噴口導流葉片、機翼前緣、渦輪葉片和渦輪罩環等。另外，目前對于SiC微納陶瓷纖維用于核電領域，代替高溫合金也有很大的預期。例如，由于SiC陶瓷具有很好的抗輻照及抗腐蝕能力，因此SiCf－SiC陶瓷復合材料有望代替原來的鋯合金材料用于核燃料的包殼管，以提高核電站的安全性。
4.工業高溫爐內襯
氧化鋁短纖維具有耐高溫(wen)性能，主要用(yong)作(zuo)絕(jue)熱(re)(re)耐火材(cai)料，在冶金爐、陶瓷燒結爐或其他高溫(wen)爐中作(zuo)護身襯(chen)里的隔(ge)熱(re)(re)材(cai)料。由于其密度(du)小、絕(jue)熱(re)(re)性好、熱(re)(re)容量小，不僅可(ke)(ke)以減輕(qing)爐體(ti)質量，而且可(ke)(ke)以提高控溫(wen)精度(du)，節(jie)能效果(guo)顯著。
參(can)考(kao)文獻：
1.張(zhang)曉山(shan)，王(wang)兵，吳楠等，高(gao)溫隔熱用微納陶瓷纖(xian)維研究進展，《無機材料(liao)學報》。
2. 陳姚(yao)，酆趙龍，黃(huang)湘樺(hua)等，納米二氧(yang)化硅氣凝膠隔熱材(cai)料(liao)的研(yan)究進展，《中國無機鹽工(gong)業協(xie)會》。
3. 孫良奎，程海(hai)峰(feng)，楚增勇等(deng)，同軸(zhou)靜電紡(fang)絲再經兩步(bu)后處理制備PAN基中空碳纖維，《高(gao)分子學報》。
昕(xin)玥
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