陶瓷纤维以其独特的低密度、高强度、耐高温、抗氧化和耐机械震动性能，广泛应用于空天飞行器、核能发电和化工冶金等领域，是热防护领域所需的关键高温隔热材料。由于传统陶瓷纤维直径粗（ϕ>5 μm）、脆性大、热导率高，在实际隔热领域应用中受到了极大限制。目前，减小纤维直径，制备微纳陶瓷纤维，受到了研究者广泛关注，是当前微纳陶瓷隔热纤维研究的重点方向。

微纳陶瓷纤维热防护材料

陶瓷纤维概述

陶瓷纤维是一种纤维状轻质耐火材料，具有重量轻、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热小及耐机械震动等优点，在机械、冶金、化工、石油、陶瓷、玻璃、电子等行业都得到了广泛的应用。目前应用较广有氧化锆陶瓷纤维、氧化铝陶瓷纤维、莫来石陶瓷纤维、硅酸铝陶瓷纤维等。

1.氧化锆陶瓷纤维

氧化锆陶瓷纤维是一种多晶质耐火纤维材料。由于ZrO2物质本身的高熔点、不氧化和其他高温优良特性，使得ZrO2纤维具有比氧化铝纤维、莫来石纤维、硅酸铝纤维等其他耐火纤维品种更高的使用温度，是目前国际上最顶尖的一种耐火纤维材料。

制备氧化锆纤维的方法有很多，如喷吹法，静电纺丝法，溶胶-凝胶法，模板法，浸渍法等，工艺一般时先配制含有锆离子的纺丝液，并通过喷丝、拉丝、旋转甩丝等方法将纺丝液制成有机和/或无机的前躯体纤维，再将其热处理转化为预定组成和结构的氧化锆陶瓷纤维。

氧化锆陶瓷纤维SEM

2.氧化铝陶瓷纤维

氧化铝陶瓷纤维是采用含有Al13胶粒的氧化铝溶胶和硅溶胶制备可纺性前驱体溶胶，通过喷吹成纤工艺制备凝胶纤维，再经热处理得到直径1～7μm的氧化铝陶瓷纤维。采用溶胶-凝胶方法制备的溶胶体系稳定，含量可控且杂质少；热处理后的陶瓷纤维柔韧性好，操作性优异，无渣球，可用于复合材料中的增强体、提高材料强度和耐热性等。

氧化铝陶瓷纤维SEM

3.莫来石陶瓷纤维

莫来石陶瓷纤维由莫来石相（3Al₂O₃·2SiO₂）构成的耐高温陶瓷纤维。呈纯白色，外观光滑柔软。具有有优良的高温抗蠕变性能、优良的抗热震性和抗腐蚀性能。具体性能指标如下：

莫来石熔点高且融化后粘度低，无法用传统的熔融拉丝工艺生产。为此各国研究者采用化学方法陆续开发出几条不同的生产路线，溶胶凝胶法是目前莫来石纤维制备生产过程中较为普遍采用的一种方法。

莫来石陶瓷纤维SEM图片

微纳陶瓷纤维

按照纤维的组成和结构特点，目前将微纳陶瓷隔热纤维分为三类，即微纳陶瓷纤维气凝胶、中空/多孔微纳陶瓷纤维和复合微纳陶瓷纤维。微纳陶瓷纤维气凝胶是指将微纳陶瓷纤维组装成轻质、高孔隙率的纤维气凝胶有助于充分发挥纤维自身柔性和低热导率的特性,有望克服传统陶瓷隔热纤维脆性大、热导率高等不足, 制备出具有较好力学性能的高效隔热材料,在高温隔热领域具有较大应用潜力。

1.微纳陶瓷纤维气凝胶

微纳陶瓷纤维气凝胶主要有SiO₂复合陶瓷纤维气凝胶、SiC纳米陶瓷纤维气凝胶、碳纳米纤维气凝胶。

（1）SiO₂复合陶瓷纤维气凝胶

东华大学丁彬课题组以SiO₂纳米陶瓷纤维为基体，采用硼硅溶胶为粘结剂先驱体, 制备了纤维之间由硼硅酸盐陶瓷连接的SiO₂纳米纤维气凝胶。得益于SiO₂ 纳米陶瓷纤维较低的热导率、较好的柔性和耐高温性能及纤维气凝胶的多孔结构，该气凝胶表现出了较好的隔热性能和压缩弹性。

SiO₂复合陶瓷纤维气凝胶SEM 照片（左）、隔热性能测试红外成像照片（右）

此外，为进一步降低陶瓷纤维气凝胶的热导率，在纳米纤维气凝胶制备过程中加入了SiO₂气凝胶纳米颗粒，使SiO₂气凝胶颗粒均匀分散在纤维之间的孔隙中，有效降低了纤维气凝胶热导率，但其压缩弹性不受影响。上述纳米纤维气凝胶, 纤维之间均是刚性的陶瓷节点（如硅硼酸盐和SiO2）连接。这使得其在长期使用过程中弹性降低，脆性增大。

（2）SiC纳米陶瓷纤维气凝胶

目前，SiC具有较好耐高温性能的纤维也被用来制作纤维气凝胶。通过气相反应制备了SiC纳米纤维气凝胶。由于纤维气凝胶高孔隙率的特点及SiC纳米纤维自身较好的柔性和耐高温性能，该纤维气凝胶表现出了优异的隔热性能和压缩弹性。

SiC复合陶瓷纤维气凝胶SEM 照片（左）、隔热性能测试光学照片（右）

（3）碳纳米纤维气凝胶

具有较好压缩弹性的碳纳米纤维气凝胶也得到了广泛研究。由于碳材料在有氧气氛中，超过450℃的条件下存在明显的氧化，碳纳米纤维气凝胶在空气环境中使用温度较低。但其在非氧化环境中使用温度高达2000℃，在超高温隔热领域具有显著优势。

目前已制备出了多种微纳陶瓷纤维气凝胶，纤维材料的隔热性能有了一定提高。但纤维气凝胶内部孔洞尺寸较大，气体热导率较高。减小其内部孔洞尺寸，有望进一步提高其隔热性能，在未来研究中值得关注。此外，纤维自身的一些不足（如强度低和耐高温性能不佳等），也是限制纤维气凝胶在高温隔热领域应用的关键问题。

2.中空/多孔微纳陶瓷纤维

（1）中空微纳陶瓷纤维    

目前，制备中空微纳陶瓷隔热纤维的方法主要有模板法和静电纺丝法两种。

模板法：模板法制备中空陶瓷隔热纤维具有设备简单、成本低等优点。南京理工大学王天驰课题组分别采用蚕丝、木棉、白茅和棉花等植物纤维作为模板制备了多种直径的中空ZrO2陶瓷纤维。

模板法制备中空ZrO2微纳陶瓷纤维SEM图片

此外，采用直径较细（~35 nm），且以具有较好分散性的碲纳米线为模板，通过水热反应结合高温烧成工艺制备了中空碳纳米纤维。研究发现，这种中空纳米纤维构成的气凝胶表现出了较好的压缩弹性和较低的热导率。

中空碳纳米纤维气凝胶制备流程示意图

静电纺丝法：静电纺丝法制备中空纤维具有纤维直径小和形貌结构易调控等优点, 是制备微纳中空陶瓷纤维的重要方法。下图为采用同轴静电纺丝法制备了氮掺杂的中空SiC微纳陶瓷纤维和中空SiC微纳陶瓷纤维SEM 照片。

氮掺杂的中空SiC微纳陶瓷纤维（左）、中空SiC微纳陶瓷纤维SEM 照片（右）

目前，采用模板法和静电纺丝法已制备出了多种中空微纳陶瓷隔热纤维，并取得了较好的隔热效果。但由于纤维的中空结构极大地增加了纤维的比表面积，使得纤维表面存在缺陷的可能性增加。因而，目前制备的中空陶瓷纤维强度较低。在未来优化中空纤维隔热性能的同时，如何有效提高其强度也是需关注的重点。

（2）多孔微纳陶瓷纤维

相比于实芯和中空纤维，多孔结构纤维使得固体热传输路径更加曲折、对气体分子的限制作用更大以及对红外辐射线的反射次数更多。因此，构建多孔结构微纳陶瓷纤维可进一步降低纤维热导率。研究者已成功制备了多孔碳纳米纤维、SiO2-ZrO2微纳陶瓷纤维，纤维内部丰富的微孔、介孔和纳米孔结构，有效降低了其热导率。值得一提的是，与实芯碳纳米纤维膜相比，多孔碳纳米纤维膜热导率降低了近98%。

多孔SiO₂-ZrO₂纤维SEM照片

目前，多孔微纳陶瓷隔热纤维正处于新兴阶段，制备具有较好力学性能的多孔微纳陶瓷隔热纤维还存在着较大挑战，是其未来发展中面临的难题。此外，孔结构与隔热性能之间的构效关系等科学问题还有待进一步研究。且对于多孔纤维的隔热机制研究还不充分，在未来研究中也需重点关注。

3.复合微纳陶瓷纤维

复合微纳陶瓷纤维主要包括高反射涂层复合微纳陶瓷纤维、复相微纳陶瓷纤维两种。

（1）高反射涂层复合微纳陶瓷纤维

目前，在纤维表面构筑高反射率的涂层种类主要有TiO₂、In₂O₃、CeO₂ 和 SiC 等。在纤维表面构筑 TiO₂/SiO₂/TiO₂多层反射膜，具有较好的红外反射性能, 有效降低了红外透过性。与无涂层纤维相比，其消光系数提高了近40%。此外，在 SiO₂纤维表面制备掺锡氧化铟（ITO）反射膜和 ITO/Ag/ITO多层反射膜也可有效降低纤维的红外透过率。

高反射率涂层纤维（左图：CeO2/ZrO2纤维SEM照片；中图：TiO2/莫来石纤维SEM照片；右图：SiC/莫来石纤维表面SEM照片）

（2）复相微纳陶瓷纤维

目前，制备的复相微纳陶瓷纤维主要有两种，两相复合纤维和多元均相复合纤维。

复相微纳陶瓷纤维（左图：ZrO2/SiC纤维制备示意图；右图：ZrO2/SiC纤维TEM照片）

综上，目前通过在纤维表面构筑高反射涂层或在纤维内部复合遮光剂相，有效提高了微纳陶瓷纤维的高温隔热性能。相比于传统陶瓷纤维和气凝胶隔热材料，复合微纳陶瓷纤维较佳的力学性能和优异的红外遮蔽性能，使其在高温隔热领域具有显著优势。

陶瓷纤维应用

1.应用于航空航天领域

微纳陶瓷纤维气凝胶材料具有优异的耐高温、耐腐蚀及隔热性能，是航空航天飞行器热防护的主要材料之一。目前使用的气凝胶隔热材料主要为微纳陶瓷纤维增强的SiO2纳米颗粒气凝胶。同时为提高纳米颗粒与陶瓷纤维间材料的结构稳定性，研究者利用原创的三维纤维网络重构方法，构筑了超轻质、超弹性陶瓷纳米纤维气凝胶材料。莫来石纤维棉作为高温绝热材料，在航空航天和民用高端材料领域也都有巨大的市场前景。

微纳陶瓷纤维气凝胶材料应用于飞行器热防护材料

2.新能源动力电池热源隔断材料

    新能源动力电池发生热失控时，电芯温度会迅速升高，可突破1000℃，造成电池组起火。SiO₂复合微纳陶瓷纤维气凝胶材料应用于电池模块的模组间和壳体内，作为隔热材料，通过其本身低导热系数和隔热性良好的特性实现对电芯的防护。

微纳陶瓷纤维应用于新能源动力电池热源隔断材料

3.增强增韧材料

目前连续SiC微纳陶瓷纤维增韧SiC陶瓷复合材料可以应用于航空领域的部位主要有发动机燃烧室内衬、燃烧室筒、喷口导流叶片、机翼前缘、涡轮叶片和涡轮罩环等。另外，目前对于SiC微纳陶瓷纤维用于核电领域，代替高温合金也有很大的预期。例如，由于SiC陶瓷具有很好的抗辐照及抗腐蚀能力，因此SiCf－SiC陶瓷复合材料有望代替原来的锆合金材料用于核燃料的包壳管，以提高核电站的安全性。

4.工业高温炉内衬

氧化铝短纤维具有耐高温性能，主要用作绝热耐火材料，在冶金炉、陶瓷烧结炉或其他高温炉中作护身衬里的隔热材料。由于其密度小、绝热性好、热容量小，不仅可以减轻炉体质量，而且可以提高控温精度，节能效果显著。

参考文献：

1.张晓山，王兵，吴楠等，高温隔热用微纳陶瓷纤维研究进展，《无机材料学报》。

2. 陈姚，酆赵龙，黄湘桦等，纳米二氧化硅气凝胶隔热材料的研究进展，《中国无机盐工业协会》。

3. 孙良奎，程海峰，楚增勇等，同轴静电纺丝再经两步后处理制备PAN基中空碳纤维，《高分子学报》。

昕玥

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