因多孔陶瓷在材料成形与高温烧结过程中，内部形成大量彼此相通或闭合的气孔，除了具备作为陶瓷材料耐高温、耐腐蚀等特点，还具有比表面较大、轻质的特点。然而，随着科技的发展，一些高精尖领域（如航天领域的热防护系统）对多孔陶瓷也提出了进一步的要求——更高的孔隙率、更大的比表面积、合理的孔径分布、低的成本以及各种新的功能。利用纤维的纺织特征，在纤维之间架构形成大量孔隙的纤维多孔陶瓷很好地契合了这一发展要求。

纤维多孔陶瓷的结构组成

纤维多孔陶瓷是一种利用高温无机黏结剂将随机分布的陶瓷纤维搭接构成鸟巢状连续骨架的特殊多孔陶瓷材料，这种特殊结构赋予了它90%以上的孔隙率，同时无序分布的孔隙内相互贯通充斥着大量的空气，促进了热能的无序流动，从而使其在具备较小的体积密度同时，兼具优良的隔热性能，在热防护领域有着巨大的应用潜力。

1、陶瓷纤维的选择

在纤维多孔陶瓷的原材料组成上，陶瓷纤维是最主要的部分，其决定了材料的力学性能和热学性能目前使用较多的纤维种类包括石英、莫来石、氧化铝等：

（1）石英纤维：

石英纤维是由高纯度SiO₂(≥99.9%)组成，极高的SiO₂纯度使得它保持了固体石英化学稳定性高、抗烧蚀性强、耐温性好、导热率低、机械强度高和介电性能优异等特点，除了可作为先进复合材料的增强体。还被广泛应用于制备耐温透波热防护材料。美国哥伦比亚号航天飞机的大面积热防护系统就首次使用了石英纤维制备的纤维多孔陶瓷作为高温防隔热材料，解决航天飞机进入大气层时，因与空气激烈摩擦产生表面局部高温的防热难题，但石英纤维在高温下会发生析晶行为导致强度迅速下降。目前，研究人员发现通过加入氧化铝、莫来石等其他纤维可提高材料的使用温度及力学性能。此外，石英纤维是介电常数和介质损耗系数最优异的矿物纤维之一，因此可与其他纤维混合使用，制备耐温透波隔热一体化的纤维多孔陶瓷材料。

石英纤维超细砂（图片来源：神玖天航新材）

（2）莫来石纤维：

莫来石纤维是一种多晶结构的纤维，主晶相为莫来石微晶，作为氧化硅和氧化铝二元体系中唯一的稳定相，其活性低，再结晶能力较差，因此莫来石纤维在高温下不易发生蠕变，不仅能够保持良好的弹性，收缩也比较小，具有较好的抗热震性能，最高使用温度可达到1500℃，

常作为新型超轻质高温耐火纤维材料（如纤维多孔陶瓷），被广泛用于各种高温产品及热防护系统中。

莫来石纳米纤维多孔陶瓷的逐渐放大SEM图

（3）氧化铝纤维：

氧化铝纤维SEM图

氧化铝纤维主要成分为氧化铝，除了具有优异的耐高温性能、抗蠕变性能和抗氧化性能，其高温力学性能保留率也较高，可以在1200℃-1300℃高温下长期使用。既可与其他耐温性较差的纤维混合使用可有效提高材料的耐温性能，也单一使用氧化铝纤维作为骨架，得到热导率较低、抗压强度相对较高的纤维多孔陶瓷。目前使用氧化铝纤维制备纤维多孔陶瓷研究还较少，但氧化铝纤维优异的耐高温和抗氧化性能使其在纤维多孔陶瓷制备应用中具有广阔的前景。

（4）其他纤维：

除了上述陶瓷纤维，氧化锆、碳化硅硅酸铝等纤维也可被用于制作纤维多孔陶瓷材料，需要根据不同的使用目的和服役环境选择合适的纤维种类。除此之外，为了提升纤维多孔陶瓷的隔热和力学性能，还可通过改变纤维直径和长度、添加气凝胶等方法，降低热导率和提升机械性能。

2、黏结剂

黏结剂的黏度、耐温稳定性以及其在纤维中的分布、含量决定了纤维多孔陶瓷的密度，目前因耐高温性能优异、黏接强度高、固化收缩率低、价格低廉等优点，纤维多孔陶瓷的制备多采用无机黏结剂，包括硅溶胶、铝溶胶、磷酸盐等。

（1）硅溶胶：硅溶胶是二氧化硅纳米颗粒分散于水中或有机溶剂中的胶体溶液，胶体颗粒经过水解缩聚后形成三维网状结构的凝胶组织，干燥烧结后形成耐高温、结合强度高的黏接点，由于价格低廉，是最常用的高温黏结剂之一，但在1600℃下，游离的SiO2存在将会导致黏结剂产生液相，限制了其在更高温度下应用。

硅溶胶（来源：广东惠尔特纳米科技有限公司）及其胶体粒子的表面状态

（2）铝溶胶：铝溶胶是水合氧化铝微细粒子分散在水中的胶体溶液。相比硅溶胶，其黏度较高，在材料内部留存率较高，容易覆盖于纤维表面和纤维搭接点处，因而材料密度、热导率和压缩强度都比硅溶胶制备的纤维多孔陶瓷要高。同时，铝溶胶耐温性也更加优异，其应用于纤维多孔陶瓷时，具有较大的应用潜力。但铝溶胶在纤维多孔陶瓷的应用研究还较少，浸渍特性和高温稳定性等还有待进一步研究。

铝溶胶（来源：日本川研精细化学）及其胶团结构模型

（3）磷酸盐：

磷酸盐也是耐火材料制备中常用的无机黏结剂，其黏结机理是利用利用磷酸与氧化物、氢氧化物或碱反应生成的具有胶凝性能的无机材料，比如在高温下与莫来石纤维发生化学反应，形成化学键合，强化黏结剂与纤维之间的界面结合强度，因而磷酸盐黏结剂制备的纤维多孔陶瓷在1000 ℃烧结后强度普遍高于硅溶胶制备的纤维多孔陶瓷。

磷酸盐结合剂

（4）其他黏结剂：

除了上述无机黏结剂，碳化硅、六方氮化硼等会在高温下会与纤维发生化学反应生成莫来石相、硅硼玻璃等高熔点相，在避免高温下黏结剂熔融导致材料性能降低的情况下，在纤维搭接处形成黏接点对纤维形成约束，实现纤维黏结。

纤维多孔陶瓷的制备方法

纤维多孔陶瓷的制备方法对最终产品的性能有着重要的影响。目前，常用于制备多孔材料的方法包括真空抽滤法、冷冻干燥法、凝胶浇注法等。

1、真空抽滤法

真空抽滤法是一种利用抽气造成负压加速滤水的成形方法。先将短切纤维浸泡于含有分散剂和黏结剂的浆料中，搅拌均匀后将浆料倒入模具，通过真空抽气产生压力差，过滤掉多余的硅溶胶，获得生坯，干燥后烧结后得到纤维多孔陶瓷。

真空抽滤法制备流程

真空抽滤法的优点在于操作简单、成本低，但是由于多孔陶瓷的结构和性能主要取决于内部纤维的排列和粘结剂的含量及分布方式，而这种方法在干燥过程中，浆料中固相物质在毛细管作用以及扩散效应下容易迁移至材料表面，形成硬质外壳，导致黏结剂分布不均匀，内部黏结剂含量低，从而影响其结构和性能。

2、冷冻干燥法

冷冻干燥法，又称冰模板法。该方法是将纤维与分散剂、黏结剂混合均匀后倒入模具中，在低温条件下使浆料中液相迅速凝结为固体，而后通过减压或真空干燥使冰晶固体升华，从而除去水分，得到具有纤维骨架与孔隙结构的坯体，再经烧结后得到纤维多孔陶瓷。

冷冻干燥法制备流程

由于冰结晶是一种自结晶过程，它在凝固过程中将会排挤其他粒子，实现粒子的重排，因此冷冻干燥法可通过调整浆料的冷冻条件来控制陶瓷纤维排列，使陶瓷纤维排列均匀，提高多孔陶瓷纤维材料的性能。但纤维多孔陶瓷孔隙由纤维搭接形成，孔径尺寸大，冷冻干燥法优势并不突出，且制备成本高昂，制备过程较为复杂，限制了其应用。

3、凝胶浇注法

凝胶浇注法的原理是利用单体之间相互反应形成聚合物网络结构。在制备纤维多孔陶瓷材料时先将短切陶瓷纤维与溶胶混合均匀，调节溶胶pH值，使其发生凝胶反应，在凝胶化前将混合均匀的浆料倒入模具，在凝胶化完成后，将形成的胚体脱模取出，等待残余液凝胶后干燥，最后经过烧结即可得到纤维多孔陶瓷。

凝胶浇注法与冷冻干燥法制备原理较为相似，利用溶胶凝胶后形成网状结构 ，可将胶体粒子固定在原位，避免了胶体粒子在干燥过程中随水分蒸发扩散在材料上下表面聚集，提高材料力学性能，但其相比冷冻干燥法，制备过程更简单，同时也避免干燥过程中黏结剂扩散导致分布不均匀问题，适用于较大尺寸纤维多孔陶瓷的制备。

小结

纤维多孔陶瓷满足了多孔陶瓷更轻质、更高孔隙率的要求，在航空热防护等领域具有巨大的应用潜力。在纤维多孔陶瓷的制备上，原材料陶瓷纤维的选择决定了其力学和热学性能，黏结剂和制备工艺则会影响其孔隙率的大小以及纤维的排列分布，最终影响材料的性能。目前，真空抽滤法工艺较为简单，但易导致黏结剂分布不均，冷冻干燥法能制备出纤维排列均匀的成品，但工艺复杂，凝胶浇注法不仅制备工艺简单，也能避免黏结剂分布不均，适用制备较大尺寸的纤维多孔陶瓷。

参考文献

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5、榕融资讯.《涨知识！关于陶瓷纤维的分类与应用，你知道多少？》

6、宏泰耐材.《耐火材料用结合剂——磷酸盐结合机理分析》

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