陶瓷纖維以其獨(dú)特的低密度、高強(qiáng)度、耐高溫、抗氧化和耐機(jī)械震動(dòng)性能，廣泛應(yīng)用于空天飛行器、核能發(fā)電和化工冶金等領(lǐng)域，是熱防護(hù)領(lǐng)域所需的關(guān)鍵高溫隔熱材料。由于傳統(tǒng)陶瓷纖維直徑粗（?>5 μm）、脆性大、熱導(dǎo)率高，在實(shí)際隔熱領(lǐng)域應(yīng)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(guān)注，是當(dāng)前微納陶瓷隔熱纖維研究的重點(diǎn)方向。

微納陶瓷纖維熱防護(hù)材料

陶瓷纖維概述

陶瓷纖維是一種纖維狀輕質(zhì)耐火材料，具有重量輕、耐高溫、熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱率低、比熱小及耐機(jī)械震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械、冶金、化工、石油、陶瓷、玻璃、電子等行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)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(zhì)耐火纖維材料。由于ZrO2物質(zhì)本身的高熔點(diǎn)、不氧化和其他高溫優(yōu)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(guó)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(shí)先配制含有鋯離子的紡絲液，并通過噴絲、拉絲、旋轉(zhuǎn)甩絲等方法將紡絲液制成有機(jī)和/或無機(jī)的前軀體纖維，再將其熱處理轉(zhuǎn)化為預(yù)定組成和結(jié)構(gòu)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(qū)體溶膠，通過噴吹成纖工藝制備凝膠纖維，再經(jīng)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(wěn)定，含量可控且雜質(zhì)少；熱處理后的陶瓷纖維柔韌性好，操作性優(yōu)異，無渣球，可用于復(fù)合材料中的增強(qiáng)體、提高材料強(qiáng)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(gòu)成的耐高溫陶瓷纖維。呈純白色，外觀光滑柔軟。具有有優(yōu)良的高溫抗蠕變性能、優(yōu)良的抗熱震性和抗腐蝕性能。具體性能指標(biāo)如下：

莫來石熔點(diǎn)高且融化后粘度低，無法用傳統(tǒng)的熔融拉絲工藝生產(chǎn)。為此各國(guó)研究者采用化學(xué)方法陸續(xù)開發(fā)出幾條不同的生產(chǎn)路線，溶膠凝膠法是目前莫來石纖維制備生產(chǎn)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(fù)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(zhì)、高孔隙率的纖維氣凝膠有助于充分發(fā)揮纖維自身柔性和低熱導(dǎo)率的特性,有望克服傳統(tǒng)陶瓷隔熱纖維脆性大、熱導(dǎo)率高等不足, 制備出具有較好力學(xué)性能的高效隔熱材料,在高溫隔熱領(lǐng)域具有較大應(yīng)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(fù)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(fù)合陶瓷纖維氣凝膠

東華大學(xué)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(jié)劑先驅(qū)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(dǎo)率、較好的柔性和耐高溫性能及纖維氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)，該氣凝膠表現(xiàn)出了較好的隔熱性能和壓縮彈性。

SiO₂復(fù)合陶瓷纖維氣凝膠SEM 照片（左）、隔熱性能測(cè)試紅外成像照片（右）

此外，為進(jìn)一步降低陶瓷纖維氣凝膠的熱導(dǎo)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(dǎo)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(jié)點(diǎn)（如硅硼酸鹽和SiO2）連接。這使得其在長(zhǎng)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(yīng)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(diǎn)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(xiàn)出了優(yōu)異的隔熱性能和壓縮彈性。

SiC復(fù)合陶瓷纖維氣凝膠SEM 照片（左）、隔熱性能測(cè)試光學(xué)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(huán)境中使用溫度較低。但其在非氧化環(huán)境中使用溫度高達(dá)2000℃，在超高溫隔熱領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)。

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(nèi)部孔洞尺寸較大，氣體熱導(dǎo)率較高。減小其內(nèi)部孔洞尺寸，有望進(jìn)一步提高其隔熱性能，在未來研究中值得關(guān)注。此外，纖維自身的一些不足（如強(qiáng)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(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)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(shè)備簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。南京理工大學(xué)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(xì)（~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(yīng)結(jié)合高溫?zé)晒に囍苽淞酥锌仗技{米纖維。研究發(fā)現(xiàn)，這種中空納米纖維構(gòu)成的氣凝膠表現(xiàn)出了較好的壓縮彈性和較低的熱導(dǎo)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(jié)構(gòu)易調(diào)控等優(yōu)點(diǎn), 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(jié)構(gòu)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(qiáng)度較低。在未來優(yōu)化中空纖維隔熱性能的同時(shí)，如何有效提高其強(qiáng)度也是需關(guān)注的重點(diǎn)。

（2）多孔微納陶瓷纖維

相比于實(shí)芯和中空纖維，多孔結(jié)構(gòu)纖維使得固體熱傳輸路徑更加曲折、對(duì)氣體分子的限制作用更大以及對(duì)紅外輻射線的反射次數(shù)更多。因此，構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)微納陶瓷纖維可進(jìn)一步降低纖維熱導(dǎo)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(nèi)部豐富的微孔、介孔和納米孔結(jié)構(gòu)，有效降低了其熱導(dǎo)率。值得一提的是，與實(shí)芯碳納米纖維膜相比，多孔碳納米纖維膜熱導(dǎo)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(xué)性能的多孔微納陶瓷隔熱纖維還存在著較大挑戰(zhàn)，是其未來發(fā)展中面臨的難題。此外，孔結(jié)構(gòu)與隔熱性能之間的構(gòu)效關(guān)系等科學(xué)問題還有待進(jìn)一步研究。且對(duì)于多孔纖維的隔熱機(jī)制研究還不充分，在未來研究中也需重點(diǎn)關(guān)注。

3.復(fù)合微納陶瓷纖維

復(fù)合微納陶瓷纖維主要包括高反射涂層復(fù)合微納陶瓷纖維、復(fù)相微納陶瓷纖維兩種。

（1）高反射涂層復(fù)合微納陶瓷纖維

目前，在纖維表面構(gòu)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(gòu)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(shù)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(fù)相微納陶瓷纖維

目前，制備的復(fù)相微納陶瓷纖維主要有兩種，兩相復(fù)合纖維和多元均相復(fù)合纖維。

復(fù)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(gòu)筑高反射涂層或在纖維內(nèi)部復(fù)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(tǒng)陶瓷纖維和氣凝膠隔熱材料，復(fù)合微納陶瓷纖維較佳的力學(xué)性能和優(yōu)異的紅外遮蔽性能，使其在高溫隔熱領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)。

陶瓷纖維應(yīng)用

1.應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域

微納陶瓷纖維氣凝膠材料具有優(yōu)異的耐高溫、耐腐蝕及隔熱性能，是航空航天飛行器熱防護(hù)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(qiáng)的SiO2納米顆粒氣凝膠。同時(shí)為提高納米顆粒與陶瓷纖維間材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，研究者利用原創(chuàng)的三維纖維網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方法，構(gòu)筑了超輕質(zhì)、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(lǐng)域也都有巨大的市場(chǎng)前景。

微納陶瓷纖維氣凝膠材料應(yīng)用于飛行器熱防護(hù)材料

2.新能源動(dòng)力電池?zé)嵩锤魯嗖牧?/span>

    新能源動(dòng)力電池發(fā)生熱失控時(shí)，電芯溫度會(huì)迅速升高，可突破1000℃，造成電池組起火。SiO₂復(fù)合微納陶瓷纖維氣凝膠材料應(yīng)用于電池模塊的模組間和殼體內(nèi)，作為隔熱材料，通過其本身低導(dǎo)熱系數(shù)和隔熱性良好的特性實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯的防護(hù)。

微納陶瓷纖維應(yīng)用于新能源動(dòng)力電池?zé)嵩锤魯嗖牧?/span>

3.增強(qiáng)增韌材料

目前連續(xù)SiC微納陶瓷纖維增韌SiC陶瓷復(fù)合材料可以應(yīng)用于航空領(lǐng)域的部位主要有發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)襯、燃燒室筒、噴口導(dǎo)流葉片、機(jī)翼前緣、渦輪葉片和渦輪罩環(huán)等。另外，目前對(duì)于SiC微納陶瓷纖維用于核電領(lǐng)域，代替高溫合金也有很大的預(yù)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(fù)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(yè)高溫爐內(nèi)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(jié)爐或其他高溫爐中作護(hù)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(zhì)量，而且可以提高控溫精度，節(jié)能效果顯著。

參考文獻(xiàn)：

1.張曉山，王兵，吳楠等，高溫隔熱用微納陶瓷纖維研究進(jìn)展，《無機(jī)材料學(xué)報(bào)》。

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(jìn)展，《中國(guó)無機(jī)鹽工業(yè)協(xié)會(huì)》。

3. 孫良奎，程海峰，楚增勇等，同軸靜電紡絲再經(jīng)兩步后處理制備PAN基中空碳纖維，《高分子學(xué)報(bào)》。

昕玥

版權(quán)聲明：  

本文為粉體圈原創(chuàng)作品，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載，也不得歪曲、篡改或復(fù)制本文內(nèi)容，否則本公司將依法追究法律責(zé)任。