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鄒小姐：13326633089 -
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陶瓷纖維以其獨特的低密度、高強度、耐高溫、抗氧化和耐機械震動性能，廣泛應用于空天飛行器、核能發電和化工冶金等領域，是熱防護領域所需的關鍵高溫隔熱材料。由于傳統陶瓷纖維直徑粗（?>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。
微納陶瓷纖維熱防護材料
陶瓷纖維概述
陶瓷纖維是一種纖維狀輕質耐火材料，具有重量輕、耐高溫、熱穩定性好、導熱率低、比熱小及耐機械震動等優點，在機械、冶金、化工、石油、陶瓷、玻璃、電子等行業都得到了廣泛的應用。目前應用較廣有氧化鋯陶瓷纖維、氧化鋁陶瓷纖維、莫來石陶瓷纖維、硅酸鋁陶瓷纖維等。
1.氧化鋯陶瓷纖維
氧化鋯陶瓷纖維是一種多晶質耐火纖維材料。由于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。
制備氧化鋯纖維的方法有很多，如噴吹法，靜電紡絲法，溶膠-凝膠法，模板法，浸漬法等，工藝一般時先配制含有鋯離子的紡絲液，并通過噴絲、拉絲、旋轉甩絲等方法將紡絲液制成有機和/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.氧化鋁陶瓷纖維
氧化鋁陶瓷纖維是采用含有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。
氧化鋁陶瓷纖維SEM
3.莫來石陶瓷纖維
莫來石陶瓷纖維由莫來石相（3Al2O3·2SiO2）構成的耐高溫陶瓷纖維。呈純白色，外觀光滑柔軟。具有有優良的高溫抗蠕變性能、優良的抗熱震性和抗腐蝕性能。具體性能指標如下：
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名稱 |
熔點/℃ |
密度/g/cm3 |
剪切模量 |
熱膨脹系數/℃-1 |
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莫來石陶瓷纖維 |
1850 |
3.05 |
202 |
5.3×10-6 |
莫來石熔點高且融化后粘度低，無法用傳統的熔融拉絲工藝生產。為此各國研究者采用化學方法陸續開發出幾條不同的生產路線，溶膠凝膠法是目前莫來石纖維制備生產過程中較為普遍采用的一種方法。
莫來石陶瓷纖維SEM圖片
微納陶瓷纖維
按照纖維的組成和結構特點，目前將微納陶瓷隔熱纖維分為三類，即微納陶瓷纖維氣凝膠、中空/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組裝成輕質、高孔隙率的纖維氣凝膠有助于充分發揮纖維自身柔性和低熱導率的特性,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.微納陶瓷纖維氣凝膠
微納陶瓷纖維氣凝膠主要有SiO2復合陶瓷纖維氣凝膠、SiC納米陶瓷纖維氣凝膠、碳納米纖維氣凝膠。
（1）SiO2復合陶瓷纖維氣凝膠
東華大學丁彬課題組以SiO2納米陶瓷纖維為基體，采用硼硅溶膠為粘結劑先驅體, 制備了纖維之間由硼硅酸鹽陶瓷連接的SiO2納米纖維氣凝膠。得益于SiO2 納米陶瓷纖維較低的熱導率、較好的柔性和耐高溫性能及纖維氣凝膠的多孔結構，該氣凝膠表現出了較好的隔熱性能和壓縮彈性。
SiO2復合陶瓷纖維氣凝膠SEM 照片（左）、隔熱性能測試紅外成像照片（右）
此外，為進一步降低陶瓷纖維氣凝膠的熱導率，在納米纖維氣凝膠制備過程中加入了SiO2氣凝膠納米顆粒，使SiO2氣凝膠顆粒均勻分散在纖維之間的孔隙中，有效降低了纖維氣凝膠熱導率，但其壓縮彈性不受影響。上述納米纖維氣凝膠, 纖維之間均是剛性的陶瓷節點（如硅硼酸鹽和SiO2）連接。這使得其在長期使用過程中彈性降低，脆性增大。
（2）SiC納米陶瓷纖維氣凝膠
目前，SiC具有較好耐高溫性能的纖維也被用來制作纖維氣凝膠。通過氣相反應制備了SiC納米纖維氣凝膠。由于纖維氣凝膠高孔隙率的特點及SiC納米纖維自身較好的柔性和耐高溫性能，該纖維氣凝膠表現出了優異的隔熱性能和壓縮彈性。
SiC復合陶瓷纖維氣凝膠SEM 照片（左）、隔熱性能測試光學照片（右）
（3）碳納米纖維氣凝膠
具有較好壓縮彈性的碳納米纖維氣凝膠也得到了廣泛研究。由于碳材料在有氧氣氛中，超過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。
目前已制備出了多種微納陶瓷纖維氣凝膠，纖維材料的隔熱性能有了一定提高。但纖維氣凝膠內部孔洞尺寸較大，氣體熱導率較高。減小其內部孔洞尺寸，有望進一步提高其隔熱性能，在未來研究中值得關注。此外，纖維自身的一些不足（如強度低和耐高溫性能不佳等），也是限制纖維氣凝膠在高溫隔熱領域應用的關鍵問題。
2.中空/多孔微納陶瓷纖維
（1）中空微納陶瓷纖維
目前，制備中空微納陶瓷隔熱纖維的方法主要有模板法和靜電紡絲法兩種。
模板法：模板法制備中空陶瓷隔熱纖維具有設備簡單、成本低等優點。南京理工大學王天馳課題組分別采用蠶絲、木棉、白茅和棉花等植物纖維作為模板制備了多種直徑的中空ZrO2陶瓷纖維。
模板法制備中空ZrO2微納陶瓷纖維SEM圖片
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。
中空碳納米纖維氣凝膠制備流程示意圖
靜電紡絲法：靜電紡絲法制備中空纖維具有纖維直徑小和形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。
氮摻雜的中空SiC微納陶瓷纖維（左）、中空SiC微納陶瓷纖維SEM 照片（右）
目前，采用模板法和靜電紡絲法已制備出了多種中空微納陶瓷隔熱纖維，并取得了較好的隔熱效果。但由于纖維的中空結構極大地增加了纖維的比表面積，使得纖維表面存在缺陷的可能性增加。因而，目前制備的中空陶瓷纖維強度較低。在未來優化中空纖維隔熱性能的同時，如何有效提高其強度也是需關注的重點。
（2）多孔微納陶瓷纖維
相比于實芯和中空纖維，多孔結構纖維使得固體熱傳輸路徑更加曲折、對氣體分子的限制作用更大以及對紅外輻射線的反射次數更多。因此，構建多孔結構微納陶瓷纖維可進一步降低纖維熱導率。研究者已成功制備了多孔碳納米纖維、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纖維SEM照片
目前，多孔微納陶瓷隔熱纖維正處于新興階段，制備具有較好力學性能的多孔微納陶瓷隔熱纖維還存在著較大挑戰，是其未來發展中面臨的難題。此外，孔結構與隔熱性能之間的構效關系等科學問題還有待進一步研究。且對于多孔纖維的隔熱機制研究還不充分，在未來研究中也需重點關注。
3.復合微納陶瓷纖維
復合微納陶瓷纖維主要包括高反射涂層復合微納陶瓷纖維、復相微納陶瓷纖維兩種。
（1）高反射涂層復合微納陶瓷纖維
目前，在纖維表面構筑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多層反射膜，具有較好的紅外反射性能, 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纖維主要有兩種，兩相復合纖維和多元均相復合纖維。
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名稱 |
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，芯部的 SiC具有較好的紅外遮蔽性能，能有效降低輻射熱傳輸。 |
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多元均相復合纖維 |
多元復相 SiZrOC 納米陶瓷纖維 |
纖維內部的復雜多相構使其內部存在大量相界面，增加了聲子-界面散射，纖維固體熱導率較低。同時，纖維內部的 SiC 和自由碳具有較高的紅外反射和吸收能力，有效降低了輻射熱傳導，因而制備的 SiZrOC纖維在高溫條件下具有較低的熱導率。 |
復相微納陶瓷纖維（左圖：ZrO2/SiC纖維制備示意圖；右圖：ZrO2/SiC纖維TEM照片）
綜上，目前通過在纖維表面構筑高反射涂層或在纖維內部復合遮光劑相，有效提高了微納陶瓷纖維的高溫隔熱性能。相比于傳統陶瓷纖維和氣凝膠隔熱材料，復合微納陶瓷纖維較佳的力學性能和優異的紅外遮蔽性能，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
微納陶瓷纖維氣凝膠材料具有優異的耐高溫、耐腐蝕及隔熱性能，是航空航天飛行器熱防護的主要材料之一。目前使用的氣凝膠隔熱材料主要為微納陶瓷纖維增強的SiO2納米顆粒氣凝膠。同時為提高納米顆粒與陶瓷纖維間材料的結構穩定性，研究者利用原創的三維纖維網絡重構方法，構筑了超輕質、超彈性陶瓷納米纖維氣凝膠材料。莫來石纖維棉作為高溫絕熱材料，在航空航天和民用高端材料領域也都有巨大的市場前景。
微納陶瓷纖維氣凝膠材料應用于飛行器熱防護材料
2.新能源動力電池熱源隔斷材料
新能源動力電池發生熱失控時，電芯溫度會迅速升高，可突破1000℃，造成電池組起火。SiO2復合微納陶瓷纖維氣凝膠材料應用于電池模塊的模組間和殼體內，作為隔熱材料，通過其本身低導熱系數和隔熱性良好的特性實現對電芯的防護。
微納陶瓷纖維應用于新能源動力電池熱源隔斷材料
3.增強增韌材料
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性能，主要用作絕熱耐火材料，在冶金爐、陶瓷燒結爐或其他高溫爐中作護身襯里的隔熱材料。由于其密度小、絕熱性好、熱容量小，不僅可以減輕爐體質量，而且可以提高控溫精度，節能效果顯著。
參考文獻：
1.張曉山，王兵，吳楠等，高溫隔熱用微納陶瓷纖維研究進展，《無機材料學報》。
2. 陳姚，酆趙龍，黃湘樺等，納米二氧化硅氣凝膠隔熱材料的研究進展，《中國無機鹽工業協會》。
3. 孫良奎，程海峰，楚增勇等，同軸靜電紡絲再經兩步后處理制備PAN基中空碳纖維，《高分子學報》。
昕玥
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