多孔陶瓷是一種富含氣孔的陶瓷基復(fù)合材料，除了具有陶瓷材料本身的耐高溫、耐腐蝕和不老化等性能外，還具有其它致密材料不具備的優(yōu)異特性，如輕質(zhì)、吸聲、隔熱、吸收能量、高比表面積等。這些性能使得多孔陶瓷可以在過濾凈化、催化劑附載、吸聲、減震、防火和保溫等方面具有良好的應(yīng)用。就其隔熱保溫性能而言，由于陶瓷本身的熱導(dǎo)率較低，多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)充斥的氣體又極大地增強(qiáng)了材料的隔熱性能，使得多孔陶瓷可以作為高溫絕熱材料被應(yīng)用于建筑、航天、倉儲、機(jī)械等領(lǐng)域，在各種建筑物、發(fā)動機(jī)、冰箱、工業(yè)窯爐等工程應(yīng)用極為適用，是重要的保溫、隔熱、保冷功能材料。因此對多孔陶瓷隔熱材料的研究有著極重要的現(xiàn)實(shí)意義。

▲多孔陶瓷材料

隔熱材料按照其針對用途區(qū)分，可以分為高溫隔熱和低溫隔熱兩類。高溫隔熱是為了阻止物體內(nèi)部的熱量向外擴(kuò)散，提高熱能利用率，或者保持物體或容器的溫度不降低；低溫隔熱材料是為了阻止外界的熱量傳入，從而防止物體內(nèi)部溫度升高。多孔陶瓷具有較高的熔點(diǎn)，通常作為高溫隔熱材料，目前，1600℃的傳統(tǒng)氣爐和高溫電爐中已廣泛使用多孔陶瓷作為隔熱材料；在神州系列飛船，長征系列火箭中，多孔陶瓷與金屬隔熱材料等組成的多層隔熱材料得到了很好的應(yīng)用；航天飛機(jī)的隔熱外殼是由抽成真空的多孔陶瓷組成的，真空多孔陶瓷是目前世界最好的隔熱材料。下面小編將對重要的多孔隔熱陶瓷材料及其應(yīng)用領(lǐng)域做簡單的介紹。

一、纖維多孔陶瓷

陶瓷纖維是一種集傳統(tǒng)絕熱材料、耐火材料優(yōu)良性能于一體的纖維狀輕質(zhì)耐火材料，主要化學(xué)成分為硅酸鋁，結(jié)構(gòu)具有氣孔率高，氣孔孔徑大及比表面積大等特點(diǎn)。陶瓷纖維產(chǎn)品的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)是一種由陶瓷纖維與空氣組成的多孔結(jié)構(gòu)，顯微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是固相和氣相都以連續(xù)相的形式存在，固態(tài)物質(zhì)以纖維狀存在，并構(gòu)成連續(xù)相骨架，而氣相則連續(xù)存在于纖維材料的骨架間隙之中。正是由于陶瓷纖維具有這種結(jié)構(gòu)，使其氣孔率較高、氣孔孔徑和比表面積較大，從而使陶瓷纖維具有優(yōu)良的隔熱性能和較小的體積密度。

▲莫來石纖維多孔材料纖維架狀結(jié)構(gòu)孔洞的SEM照片

陶瓷纖維隔熱材料由于具有密度低、熱導(dǎo)率低以及熱容量高等優(yōu)點(diǎn)，一直是導(dǎo)彈以及航天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)隔熱的首選材料，例如高速飛行航天器外表面隔熱用的隔熱瓦便是其中一種。

二、大顆粒燒結(jié)陶瓷

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，陶瓷產(chǎn)業(yè)和冶金產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的礦渣和陶瓷廢料越來越多，有研究人員以拋光廢渣、高溫砂、低溫沙、粘土為原料制備了具有保溫隔熱功能的環(huán)保型多孔陶瓷材料，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的變廢為寶。這種方法制備出來的多孔陶瓷，其隔熱性能及強(qiáng)度不如其它的陶瓷，但是其工藝簡單，原料豐富且價格低廉，還能將一些工業(yè)廢料進(jìn)行環(huán)境友好的處理。

▲用拋光渣、湖南石粉、b5砂及中級球土制備的環(huán)保型多孔陶瓷材料

由于天然資源的快速消耗，人們也在努力的把廢棄物轉(zhuǎn)化的原料應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，比如利用石英沙等制備非粘土空心磚，既可以達(dá)到節(jié)約原料的目的，又可以節(jié)能減排。目前歐美70~80%的墻體的材料都變成了多孔磚，應(yīng)用多孔隔熱材料可以使房屋達(dá)到冬暖夏涼的效果，在很大的程度上可以減少暖氣和空調(diào)等電器的使用，間接地節(jié)約了能源。

三、多孔熱障陶瓷涂層

熱障陶瓷涂層是當(dāng)下用于飛機(jī)發(fā)動的最有效的隔熱材料，技術(shù)最成熟的是氧化釔穩(wěn)定氧化鋯涂層（PYSZ）TBCs，熱障涂層已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天器和渦輪的熱端部件，通過降低金屬基體的溫度來保護(hù)熱端部件。為了進(jìn)一步的提高熱障涂層的隔熱性能，人們又通過把熱障涂層制備成多孔形態(tài)。有研究人員研究了溫度以及孔隙率對導(dǎo)熱系數(shù)的影響，確認(rèn)引入孔隙能夠提高熱障涂層的隔熱性能。

▲激光工藝下制備的熱障涂層（a）表觀形貌 （b）SEM形貌

四、復(fù)合隔熱陶瓷

多孔陶瓷隔熱材料主要用于高溫隔熱場合，但隔熱效果由于受到生產(chǎn)工藝的限制還難以進(jìn)一步的提高，很難同時滿足各項要求，因此研究者通過制備陶瓷基復(fù)合材料來彌補(bǔ)這些不足，如陶瓷氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料，高溫多層隔熱陶瓷復(fù)合材料等。

1、陶瓷氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料

在氣凝膠中適當(dāng)?shù)奶砑犹沾衫w維形成的復(fù)合材料。氣凝膠是一種以納米量級膠體粒子相互聚集構(gòu)成納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的一種高分散固態(tài)材料。氣凝膠是目前隔熱效果最好的隔熱材料，輕質(zhì)多孔耐高溫氧化物氣凝膠作為隔熱材料對航空航天事業(yè)發(fā)展意義重大，現(xiàn)已被應(yīng)用于航天器艙體隔熱、航空發(fā)動機(jī)熱防護(hù)、太空車燃料儲罐保冷和太空生命起源探索等方向。

SiO?氣凝膠是目前研究最廣泛、隔熱應(yīng)用最為成熟的氣凝膠種類，但目前急需需要解決氣凝膠自身內(nèi)部顆粒之間弱鏈接造成的陶瓷脆性問題。鑒于此，力學(xué)增

強(qiáng)一直是SiO?氣凝膠隔熱材料研究的重點(diǎn)方向，纖維復(fù)合增強(qiáng)是最為有效且常見的增強(qiáng)方法，通常將不同種類、不同直徑的長、短纖維引入溶膠-凝膠制備工藝獲得SiO?氣凝膠復(fù)合材料。近年來，隔熱用纖維增強(qiáng)SiO?氣凝膠復(fù)合材料在強(qiáng)化和改善纖維與SiO?氣凝膠基體之間的相界面結(jié)合和利用特定功能纖維來滿足SiO?氣凝膠材料的柔性、高強(qiáng)度、低熱導(dǎo)和耐高溫等指標(biāo)要求兩方面已取得重要進(jìn)展。

▲連續(xù)纖維增強(qiáng)SiO?氣凝膠復(fù)合材料形貌

2、高溫多層隔熱陶瓷復(fù)合材料

由高溫的夾層多孔陶瓷材料組合而成，金屬隔熱材料一般以層狀形式存在。在高溫下熱輻射是傳熱的主要的方式，因此采用若干層具有較高反射率的熱不透明金屬箔作為隔熱屏，以高溫?zé)o機(jī)纖維紙作為間隔物，交替疊鋪而成復(fù)合隔熱材料，金屬箔反射熱輻射，間隔物用以阻滯熱傳導(dǎo)，從而降低陶瓷纖維隔熱材料高溫輻射傳熱，提高隔熱效果。這種多層復(fù)合隔熱陶瓷材料是一種極為有效的高溫隔熱材料，可用作載人飛船座艙的隔熱，并在長征系列運(yùn)載火箭和遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的局部區(qū)域得到了應(yīng)用。

小結(jié)

多孔陶瓷具有優(yōu)異的隔熱性能，較高的溫度承受能力，在高溫隔熱領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢，尤其在環(huán)境惡劣、對質(zhì)量有苛刻要求的航空航天熱防護(hù)領(lǐng)域，因此多孔陶瓷用作隔熱材料具有非常良好的發(fā)展前景。目前，研究人員已開發(fā)了多種多孔陶瓷隔熱材料并在生產(chǎn)實(shí)踐中投入使用，但對多孔隔熱材料的開發(fā)仍存在著一些局限性和不足，如對材料的各種導(dǎo)熱過程的機(jī)理、控制條件并沒有完全掌握，對多孔陶瓷隔熱性能的控制因素也還不能夠徹底掌控等，因此制約了多孔陶瓷更廣泛的應(yīng)用。未來相關(guān)研究人員應(yīng)該更進(jìn)一步探索多孔材料的導(dǎo)熱機(jī)理，將多孔材料的制備工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化才是多孔陶瓷的發(fā)展方向。

來源參考：

1、多孔隔熱陶瓷的研究進(jìn)展，楊春艷，盧淼，劉培生（陶瓷學(xué)報）；

2、氣凝膠隔熱材料制備及航天熱防護(hù)應(yīng)用研究進(jìn)展，柳鳳琦，王魯凱，門靜，劉蘭芳，彭飛，馮軍宗，姜勇剛，李良軍，馮堅（宇航材料工藝）。

粉體圈芷凌整理

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