孫　達(dá)　周長靈　陳　恒　朱俊陽　隋學(xué)葉

(1濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250022；2山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計院有限公司，淄博 255031)

陶瓷基隔熱材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

孫達(dá)1周長靈2陳恒1朱俊陽1隋學(xué)葉2

(1濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250022；2山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計院有限公司，淄博 255031)

摘要:陶瓷基隔熱材料的發(fā)展與航天、航空、化工、石油、建筑等行業(yè)密切相關(guān)，越來越受到青睞。本文概述了陶瓷基隔熱材料的主要導(dǎo)熱方式，分析了幾種常用的陶瓷基隔熱材料，闡述了陶瓷基隔熱材料的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞:陶瓷基隔熱材料；導(dǎo)熱方式；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

隨著社會的進(jìn)步及工業(yè)化的發(fā)展，能源短缺問題被大家廣為關(guān)注，尤其我國，龐大的人口基數(shù)更加強(qiáng)化了對能源的依賴。能源緊張嚴(yán)重困擾著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，引起政府及有關(guān)科研單位在新能源的開發(fā)和節(jié)能方面的高度重視，吸引了許多人致力于陶瓷基隔熱材料的研發(fā)，相繼出現(xiàn)了多種新型陶瓷基隔熱材料[1]。

陶瓷基隔熱材料，以前多用于高溫窯爐及熱工設(shè)備，是一種功能材料。陶瓷基隔熱材料通常具有質(zhì)輕、疏松、多孔、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點，孔隙率一般不小于40%。由于其特有的保溫、隔熱、隔聲、防火等性能，又被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、宇航等領(lǐng)域[2]。

1陶瓷基隔熱材料的導(dǎo)熱方式

良好的隔熱材料不僅要滿足隔熱性能，還要能滿足環(huán)境條件的要求，如溫度、壓力等。隔熱材料是由氣相和固相組成的兩相介質(zhì)，基于傳熱學(xué)理論，其熱量傳遞形式主要是傳導(dǎo)、對流和輻射，即在溫度差的驅(qū)動下，通過分子相互碰撞、分子振動等形式傳遞熱量。

(1)熱傳導(dǎo)。隔熱材料中的熱傳導(dǎo)包括隔熱材料中的固相熱傳導(dǎo)和氣相熱傳導(dǎo)。隔熱材料固體顆粒之間相互接觸產(chǎn)生固相熱傳導(dǎo)；隔熱材料內(nèi)氣孔中的分子熱運動產(chǎn)生氣體熱傳導(dǎo)。在常壓情況下，隔熱材料中氣相熱傳導(dǎo)對隔熱性能的影響要大于固相熱傳導(dǎo)，在真空條件下這種差異會更加明顯[3]。

(2)熱對流。熱量會隨著介質(zhì)的流動而傳遞。熱對流可分為強(qiáng)迫對流和自由對流。由于外部原因造成的對流稱為強(qiáng)迫對流；由于介質(zhì)內(nèi)部溫度變化引起密度不同造成的對流稱為自由對流。Stark等[4]的實驗表明，當(dāng)纖維隔熱材料的密度大于20kg/m3時，纖維將氣體分隔成足夠小的空隙，認(rèn)為纖維隔熱氈內(nèi)部沒有自由對流作用。Daryabeigi[5]研究了自然對流對纖維隔熱材料傳熱的影響，結(jié)果表明，纖維隔熱材料試樣密度大于等于24kg/m3時，試樣內(nèi)部不存在自由對流作用。上述研究共同證明，自由對流對隔熱材料的影響甚小。

(3)熱輻射。任何物體都具有吸收或放射輻射能的能力。一物體的輻射能達(dá)到另一物體時，另一物體吸收其中一部分，其余部分也可能被反射，或者透過。這種吸收、反射、透過的輻射能同總的輻射能之比，分別叫該物體的吸收率、反射率和透過率。隨著溫度升高，輻射傳熱急劇加強(qiáng)。同時，氣孔及空隙的增多也會使輻射傳熱量增大。研究表明[3]，在較高溫度下，輕質(zhì)隔熱材料中輻射傳熱量占總體傳熱量的40%~50%。真空、高溫條件下，輻射傳熱可以達(dá)到 90%。

材料微觀導(dǎo)熱過程是非常復(fù)雜的，它受到許多因素影響。物質(zhì)導(dǎo)熱的載體共有四種，即分子、聲子、光子和電子[6]。因為隔熱材料是無機(jī)非金屬材料，可忽略電子形式導(dǎo)熱，因此微觀導(dǎo)熱形式主要有分子導(dǎo)熱、聲子導(dǎo)熱以及光子導(dǎo)熱。

(1)分子導(dǎo)熱。在氣體中，熱量的傳導(dǎo)通常是通過分子或原子相互作用或碰撞來實現(xiàn)的。導(dǎo)熱是氣體分子不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結(jié)果。氣體溫度越高，其分子動能越大，不同能量水平的分子相互碰撞的結(jié)果使熱量從高溫處傳到低溫處。

(2)聲子導(dǎo)熱。在固體中原子運動的自由度是有限的，僅能在其固定位置上振動，其振幅大小取決于各個原子的能量。當(dāng)存在溫差時，格波與格波間振動的劇烈程度不同，從而發(fā)生相互作用實現(xiàn)能量傳遞，類似于聲子的傳遞，這種導(dǎo)熱機(jī)理叫聲子導(dǎo)熱[7]。影響聲子導(dǎo)熱的主要因素是聲子的平均自由程。平均自由程的大小由兩個散射過程決定：一是聲子間的碰撞引起的散射；二是聲子與晶體的晶界、各種缺陷、雜質(zhì)作用引起的散射。

(3)光子導(dǎo)熱。固體中分子、原子等質(zhì)點的振動、轉(zhuǎn)動等會輻射出頻率較高的電磁波。當(dāng)存在溫度差時，通過這種電磁波的作用就使部分熱能從高溫處傳到低溫處，這種導(dǎo)熱機(jī)理即為光子導(dǎo)熱[8]。光子導(dǎo)熱的影響程度主要決定于光子的平均自由程。對于不透明的材料，光子導(dǎo)熱可以忽略。如果光子平均自由程大到與試樣尺寸相近，甚至超過試樣尺寸，光子導(dǎo)熱就只能在表面或界面發(fā)生。因此只有當(dāng)光子的平均自由程比試樣尺寸小時，材料中的光子導(dǎo)熱才有意義[9]。

2幾種陶瓷基隔熱材料的研究現(xiàn)狀

2.1　多孔陶瓷隔熱材料

多孔陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕等性能。除此之外，還有隔熱、吸聲、比表面積大等特點。多孔陶瓷的熱導(dǎo)率較低，多孔腔內(nèi)充斥著的氣體大大提高了多孔陶瓷的隔熱性能。Kita等[10]首次研究了多孔陶瓷的隔熱性能，推動了多孔陶瓷作為隔熱材料的發(fā)展。近幾年來各國科學(xué)家探索出了許多不同的多孔陶瓷制備工藝。其中較為典型的有：添加造孔劑工藝，發(fā)泡工藝，有機(jī)泡沫浸漬工藝，溶膠-凝膠工藝，還有適用于制備纖維多孔陶瓷的加壓排液工藝和真空抽濾工藝。

2.1.1添加造孔劑工藝

通過在陶瓷的配料中添加造孔劑的工藝可以制備多孔陶瓷隔熱材料。造孔劑自身在坯體中占據(jù)一定體積，在燒結(jié)過程中，造孔劑氧化或分解，氣化后，離開坯體，從而在基體材料中留下孔隙。這種工藝的優(yōu)點是可依據(jù)造孔劑本身的結(jié)構(gòu)特點，制得各種形狀、結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷，并且可有效的調(diào)節(jié)材料的氣孔率。但是，該工藝存在造孔劑分散困難、氣孔分布均勻性差、不能制備大孔隙率多孔陶瓷等缺點[11]。

Qi Wang等[12]采用添加造孔劑工藝，分別以 AOM(一水合草酸銨) 和 PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)作為造孔劑，制備了不同孔形狀和孔隙率的多孔陶瓷，孔徑在 150~250μm之間，孔隙率在60%以下。

2.1.2發(fā)泡工藝

利用發(fā)泡法制備多孔陶瓷隔熱材料，較容易控制多孔陶瓷最終的形狀、成分和密度。該工藝是以碳化鈣、氫氧化鈣、雙氧水等作為發(fā)泡劑，與陶瓷原料相混合。升溫過程中，發(fā)泡劑受熱分解，使得整個坯體充滿模具，從而獲得一定尺寸、形狀的多孔陶瓷。但是，這種方法對原料的要求較高：不能與發(fā)泡劑反應(yīng)；具有一定的流動性；能隨著氣體的產(chǎn)生充滿模具。

發(fā)泡工藝制備多孔陶瓷隔熱材料由 Sunderman等在 1973年發(fā)明，隨后被廣泛應(yīng)用。吳皆正等[13]利用發(fā)泡工藝，以十二烷基磺酸鈉和碳酸鈣為發(fā)泡劑，以石英砂為原料，制成了氣孔率為35%~55%，孔徑尺寸達(dá)到微米級多孔陶瓷。

2.1.3有機(jī)泡沫浸漬工藝

有機(jī)泡沫浸漬工藝制備多孔陶瓷材料，是以有機(jī)泡沫材料作為前驅(qū)體，浸漬陶瓷漿料后，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制成多孔陶瓷隔熱材料。有機(jī)泡沫材料在坯體中占據(jù)一定的體積，坯體干燥燒結(jié)后，有機(jī)泡沫氧化分解，氣化后離開基體，留下孔隙，從而制得與有機(jī)泡沫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一致的多孔陶瓷隔熱材料。該工藝適合制備較高氣孔率、氣孔較大的多孔陶瓷，但是，不能有效控制氣孔大小、制品形狀和密度[14]。

有機(jī)泡沫浸漬工藝由Schwartzwalder等在1963年第一次使用。隨后被廣泛應(yīng)用。蔡紅玉[15]利用有機(jī)泡沫浸漬工藝，以α-SiC為原料，以Al2O3及Al2O3+MgO為燒結(jié)助劑，制備了氣孔率在70%~90%，抗壓強(qiáng)度在1.5~3.7MPa的多孔陶瓷塊體。

2.1.4溶膠凝膠工藝

溶膠凝膠工藝是一種制備多孔陶瓷的新方法。利用金屬醇鹽的水解反應(yīng)、高分子化合物的縮聚反應(yīng)或者硝酸鹽、硫酸鹽、氯化物等無機(jī)鹽的水解反應(yīng)形成溶膠，在溶膠的凝膠化過程中，膠體粒子間相互連接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀的孔隙中充滿了溶液，在干燥、燒結(jié)過程中溶液揮發(fā)，得到具有納米級孔隙的多孔陶瓷。與其它工藝相比，該工藝制備的陶瓷隔熱材料具有粒子細(xì)小、工藝簡單、能實現(xiàn)多組分均勻摻雜、處理溫度相對較低等特點。

1975年，Yoldas[16]用溶膠凝膠法成功合成了透明的多孔氧化鋁凝膠，并在制備多孔材料方面便得到了廣泛應(yīng)用，用于制備納米級氣孔及微孔的陶瓷膜和多孔陶瓷載體。

2.2　氣凝膠隔熱材料

作為一類具有納米孔結(jié)構(gòu)的新型材料，氣凝膠在軍事、建筑、化工、石油及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景備受關(guān)注。1931年，美國斯坦福大學(xué)Kistlers在Nature雜志報道，利用超臨界干燥技術(shù)可將二氧化硅凝膠內(nèi)部液體介質(zhì)替換為氣體介質(zhì)，而凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)并沒有被破壞，首次獲得二氧化硅氣凝膠。隨后，采用以上方法制備了各種類型的氧化物氣凝膠，并研發(fā)了多種凝膠干燥工藝。

2.2.1二氧化硅氣凝膠

二氧化硅氣凝膠是從溶膠凝膠工藝衍生出來的非晶固態(tài)材料，其氣孔率最高可達(dá)99.8%，其孔洞尺寸和膠體顆粒的尺寸都在納米量級，比表面積可達(dá)1000m2/g以上，是典型的納米材料。目前，SiO2氣凝膠的制備一般選用金屬醇鹽作為原料，利用溶膠-凝膠法在溶液內(nèi)形成無序、枝狀、連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，經(jīng)過干燥工藝去除凝膠內(nèi)的溶液而不改變凝膠的結(jié)構(gòu)，由此得到多孔、無序、具有納米級連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的非晶固態(tài)材料。雖然二氧化硅氣凝膠材料的熱導(dǎo)率很低，可用作隔熱材料，但是目前還不能代替其他隔熱材料而廣泛使用。原因主要有兩個：一是密度低、孔隙率高而導(dǎo)致材料的強(qiáng)度低，脆性大；二是對近紅外輻射有較強(qiáng)的透過性，導(dǎo)致其對髙溫紅外輻射的遮擋能力差，使得氣凝膠的熱導(dǎo)率隨溫度升高而急劇增加。對此，常用的解決方法是通過向氣凝膠中添加纖維而增加材料強(qiáng)度，或通過添加遮光劑而提高材料的紅外遮蔽性能[17]。

純SiO2氣凝膠隔熱效果差、不耐高溫、力學(xué)性能低。為了提高SiO2氣凝膠的隔熱性能，Lee等[18]向氣凝膠中摻加炭黑來抑制熱輻射傳熱，雖然能在一定程度上提高氣凝膠材料的高溫隔熱性能，但高溫時炭會被氧化，從而使得SiO2氣凝膠的使用溫度受到限制。為了進(jìn)一步提高SiO2氣凝膠的使用溫度，Kwon等[19]引入了TiO2作為紅外遮光劑，不僅顯著提高了SiO2氣凝膠材料的隔熱性能，而且提升了SiO2氣凝膠的使用溫度。

2.2.2氧化鋁氣凝膠

Al2O3氣凝膠具有密度低、比表面積大、熱穩(wěn)定性高和耐高溫等優(yōu)異性能，其使用溫度可達(dá)1000℃以上[20]。Al2O3氣凝膠在高溫隔熱、高溫催化以及基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域都將具有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)前驅(qū)體的不同，制備純Al2O3氣凝膠的工藝可以分為無機(jī)鋁鹽法和有機(jī)金屬鋁醇鹽法[21]。

無機(jī)鋁鹽法使用的前驅(qū)體主要是Al(NO3)3·9H2O和AlCl3·6H2O。此方法具有成本低、操作簡單等優(yōu)異特點，但是該法制備的氣凝膠收縮率較大、宜粉化[22]。Gash等[23]以Al(NO3)3·9H2O為原料，通過超臨界干燥技術(shù)制備了Al2O3氣凝膠。Baumann等[24]以AlCl3·6H2O為前驅(qū)體，以環(huán)氧丙烷為網(wǎng)絡(luò)凝膠誘導(dǎo)劑，以無水乙醇和水的混合溶液為溶劑，經(jīng)超臨界干燥制備得到了密度為60~130kg/m3,比表面積為600~700m2/g的塊狀氧化鋁氣凝膠。

有機(jī)金屬鋁醇鹽法使用的前驅(qū)體主要是仲丁醇鋁和異丙醇鋁。此方法制備的氧化鋁氣凝膠具有純度高、比表面積大、粒度分散均勻等優(yōu)異特點，但成本高、反應(yīng)速度太快、不易控制。Poco等[25]以仲丁醇鋁為前驅(qū)體，采用溶膠凝膠工藝制備得到凝膠，再經(jīng)超臨界干燥制備出了氣孔率在98%以上，比表面積為376m2/g的Al2O3塊體氣凝膠。Tatsuro Horiuchi等[26]用異丙醇鋁在80℃水中水解，加入硝酸攪拌后得到水凝膠，再分別三次用乙醇替換出凝膠孔內(nèi)的水分得到凝膠。

2.2.3二氧化鋯氣凝膠

二氧化鋯氣凝膠具有耐高溫、比表面積高、粒徑小和密度低等特點，從1976年開始引起了隔熱材料行業(yè)的廣泛關(guān)注。目前，依然是氣凝膠研究領(lǐng)域的熱點之一。

ZrO2具有三種晶型，在單斜晶型和四方晶型之間的晶型轉(zhuǎn)變過程中，伴隨顯著的體積變化，故在加熱或冷卻時容易引起ZrO2制品開裂，造成納米孔結(jié)構(gòu)的破壞。目前，許多研究者致力于通過對ZrO2氣凝膠進(jìn)行摻雜改性，從而對其進(jìn)行晶型穩(wěn)定化處理，使其穩(wěn)定成為立方相或四方相。Melezhyk O V等[27]以ZrOCl2和鎢酸銨為原料，制備了介孔WO3/ZrO2復(fù)合材料，研究結(jié)果證明，改性后的復(fù)合材料比純ZrO2材料具有更好的高溫穩(wěn)定性，能有效解決制品開裂問題。宮文彪等[28]用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米CeO2摻雜ZrO2/Y2O3隔熱材料，研究結(jié)果表明，摻雜納米CeO2后，ZrO2的組成相為穩(wěn)定的立方相和四方相，導(dǎo)熱率降低，并且隔熱性能隨CeO2含量的增加而提高。

2.2.4氣凝膠干燥方法

在氣凝膠的制備過程中，干燥過程尤為重要。干燥就是將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部溶劑替換為空氣，形成氣凝膠的過程。氣凝膠的干燥方法主要有超臨界干燥法、常壓干燥和冷凍干燥。

超臨界干燥旨在通過壓力和溫度的控制，使溶劑在干燥過程中達(dá)到其本身的臨界點，完成液相至氣相的超臨界轉(zhuǎn)變。由于干燥過程中溶劑無明顯表面張力，在濕凝膠向氣凝膠轉(zhuǎn)變的過程中，多孔結(jié)構(gòu)會被保存下來。1931年Kistlers使用的就是超臨界干燥技術(shù)，目前仍廣泛應(yīng)用于SiO2氣凝膠合成。但是超臨界干燥也存在許多不足之處，由于高溫高壓和有機(jī)溶劑的易燃性，超臨界干燥存在很大危險性，設(shè)備昂貴且復(fù)雜，難以進(jìn)行連續(xù)性及規(guī)?；a(chǎn)。

較超臨界干燥，常壓干燥操作簡單，安全系數(shù)高。但是在常壓干燥時，孔隙流體的遷移會使液體產(chǎn)生毛細(xì)管力，從而會導(dǎo)致氣凝膠結(jié)構(gòu)的收縮和坍塌?？梢酝ㄟ^以下措施來解決：(1)提高凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；(2)改善凝膠中孔洞的均勻性；(3)對凝膠進(jìn)行表面修飾處理；(4)采用低表面張力的溶劑[29,30]。例如Shlyakhtina等[31]使用TEOS為硅源，異丙醇為溶劑，凝膠中的異丙醇用正丁醇置換，凝膠表面用含有TMCS的正丁醇溶液來改性。然后，在常壓干燥下制得透明、無裂紋且不同形狀的氣凝膠。劉世明等[32]采用逐級改性的方法對凝膠表面進(jìn)行改性，再通過常壓干燥制備出了疏水性和熱穩(wěn)定性均良好的SiO2氣凝膠。

從理論上分析，冷凍干燥可以在很大程度上解決干燥過程中粒子團(tuán)聚的問題。冷凍干燥在低溫、負(fù)壓下使凍成固相的溶劑升華，達(dá)到排除溶劑的目的。由于溶劑被凍結(jié)，與膠體顆粒連在一起，氣液界面不再存在，毛細(xì)管力大大減小，從而有效避免了團(tuán)聚現(xiàn)象。冷凍干燥法充分利用了溶劑的特性，當(dāng)溶劑凍成固態(tài)時，其體積膨脹，使得原先彼此相互靠近的凝膠粒子適當(dāng)分開，利于克服干燥收縮現(xiàn)象。但是冷凍干燥也有許多缺點：周期延長、孔隙溶劑冷凍膨脹在一定程度上會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)損壞等[33]。

2.3　纖維及纖維增強(qiáng)復(fù)合隔熱材料

隔熱纖維主要是通過減緩傳導(dǎo)、對流、輻射引起的熱量交換達(dá)到隔熱目的。隔熱纖維絕大多數(shù)為硅酸鹽類礦物。主要有石棉、玻璃棉、硅酸鋁纖維、高硅氧纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維等。其中，氧化鋁纖維、高硅氧纖維、碳化硅纖維在特種行業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。因為纖維本身具有一定的拉伸強(qiáng)度，所以其制品具有較高的抗拉、抗壓和抗折強(qiáng)度。纖維制品還具有較高的孔隙率和較小的重量。美國的X-33金屬熱防護(hù)系統(tǒng)，中間的隔熱材料采用的就是Q氈(二氧化硅纖維制成)和Cerrachrome氈(氧化鋁纖維和二氧化硅纖維制成)[34]。

在實際應(yīng)用中，隔熱材料往往要承受必要的載荷。所以其他類型隔熱材料一般要與纖維復(fù)合使用。纖維增強(qiáng)復(fù)合隔熱材料將會在隔熱領(lǐng)域受到高度重視。Deng等[35]在制備氣凝膠時添加短切陶瓷纖維，材料彎曲強(qiáng)度達(dá)0.125MPa，比純氣凝膠提高了近6倍，同時材料的收縮率大大減小。張志華等[36]添加10%短切陶瓷纖維，所得氣凝膠的機(jī)械強(qiáng)度也得到明顯提高。高慶福等[37]將陶瓷纖維與二氧化硅溶膠復(fù)合，經(jīng)超臨界干燥得到陶瓷纖維增強(qiáng)的二氧化硅氣凝膠復(fù)合隔熱材料，結(jié)果表明，纖維與氣凝膠復(fù)合后，氣凝膠充分填充纖維之間的空隙，復(fù)合材料力學(xué)性能得到顯著改善。

3陶瓷基隔熱材料的發(fā)展趨勢

3.1　工藝簡單型

如今，在實驗或生產(chǎn)過程中，陶瓷基隔熱材料的制備工藝比較復(fù)雜，周期較長，而且存在一定的危險性。例如，在氣凝膠的制備過程中要用到高溫高壓環(huán)境，設(shè)備昂貴且復(fù)雜，難以進(jìn)行連續(xù)性及規(guī)?；a(chǎn)，而且會對操作人員人身安全造成威脅。如果采用其他干燥方法，時間將會延長，干燥效果也會降低。所以，研究工藝簡單，操作安全系數(shù)高，生產(chǎn)成本低的陶瓷基隔熱材料，以及擴(kuò)展陶瓷基隔熱材料的生產(chǎn)規(guī)模和使用范圍是今后陶瓷基隔熱材料的發(fā)展趨勢之一。

3.2　耐高溫復(fù)合型

航空航天等事業(yè)的發(fā)展，對陶瓷基隔熱材料的耐高溫性能要求越來越高。雖然現(xiàn)在的納米孔陶瓷基隔熱材料的高溫?zé)岱€(wěn)定性比較優(yōu)越，但其制備工藝還不夠成熟，目前尚處于實驗室探索階段。同樣，雖然復(fù)合陶瓷基隔熱材料在近些年發(fā)展迅速，但其耐高溫性能也很難滿足苛刻的使用要求。因此，將兩種或多種隔熱材料按照各自的特點復(fù)合，取長補短，形成一種性能更優(yōu)越的耐高溫復(fù)合型陶瓷基隔熱材料是陶瓷基隔熱材料發(fā)展的一個重要趨勢。

3.3　疏水型

影響陶瓷基隔熱材料性能的一個重要因素就是吸水性。正常情況下水的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣。陶瓷基隔熱材料在吸水以后會大大降低其隔熱性能，目前大多數(shù)陶瓷基隔熱材料均不疏水、吸水率高。在目前的研究中，大部分研究者會在陶瓷基隔熱材料中添加有機(jī)硅類疏水劑。有機(jī)硅化合物與無機(jī)硅酸鹽材料之間具有較強(qiáng)的化學(xué)親和力，能有效地改變硅酸鹽材料的表面特性，達(dá)到疏水效果[38]。因此，提高陶瓷基隔熱材料的疏水性，降低吸水率是陶瓷基隔熱材料的主要發(fā)展趨勢之一。

3.4　低污染型

國家正在大力提倡節(jié)能減排，這就要求從原料的準(zhǔn)備、產(chǎn)品的生產(chǎn)以及使用，到最后廢料的處理，都要最大限度地節(jié)約資源和減少對環(huán)境的危害。要做到減少對天然礦物的需求，開采有度；減少陶瓷基隔熱材料生產(chǎn)過程中的能耗，考慮產(chǎn)品的可回收再利用；減少在陶瓷基隔熱材料在使用過程中對環(huán)境造成二次污染。因此，從長遠(yuǎn)發(fā)展角度來看，低污染型陶瓷基隔熱材料也會成為陶瓷基隔熱材料發(fā)展的重要趨勢。

4結(jié)語

陶瓷基隔熱材料的研究越來越受到重視，而且在不少研究領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，有些研究趨近成熟。但是，還有許多問題需要解決。發(fā)展陶瓷基隔熱材料，需要從根本上了解導(dǎo)熱方式，對材料的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計與控制。在著力提高陶瓷基隔熱材料使用溫度的同時，還要兼顧其力學(xué)性能、遮光性能等其他性能。應(yīng)該密切關(guān)注隔熱行業(yè)發(fā)展動態(tài)及趨勢，快速擴(kuò)展陶瓷基隔熱材料應(yīng)用范圍，使陶瓷基隔熱材料在航天、航空、化工、石油、建筑等各個領(lǐng)域具有更加廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]林育煉,劉盛秋.耐火材料與能源[M].北京,冶金工業(yè)出版社,1993.

[2]謝文丁.絕熱材料與絕熱工程[M].北京,國防工業(yè)出版社,2006:10-18.

[3]Zhao S Y,Zhang B M,He X D. Temperature and Pressure Dependent Effective Thermal Conductivity of Fibrous Insulation. International Journal of Thermal Sciences,2009,48:440-448.

[4]Stark C and Fricke J. Improved Heat-transfer Models for Fibrous Insulation. International Journal of Heat and Mass Transfer,1993,36:617-625.

[5]Daryabeigi K. Heat Transfer in High-Temperature Fibrous Insulation. AIAA, 2002,3332:1-15.

[6]奚同庚.無機(jī)材料熱物性學(xué).上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1981:8-10 .

[7]鄭明新.工程材料.清華大學(xué)出版社,1983:3-13.

[8]Sear F W, Salinger G L,柳之琦譯.熱力學(xué).高等教育出版社,1985:34-38.

[9]趙淑媛.纖維隔熱材料微觀結(jié)構(gòu)與熱性質(zhì)演化及熱可靠性評估研究[D].黑龍江,哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

[10]Kita H,Ohsumi K,Yamada T. Influence of Composition and Oxidation Temperationon Thermal-Conductivity of Si-Ti-O-N Porous Ceramics[J]. Nippon Seramikkusu Kyokai Gakugutsu Ronbunshi-Journal of the Ceramic Society ofJapan,1993,101(4):389-393.

[11]馮云龍.莫來石基剛性多孔隔熱材料的制備與性能研究[D].黑龍江,哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012.

[12]Wang Qi, Chen Qiang. Effects of pore shape and porosity on the properties of porous LNKN ceramics as bone substitute[J]. Materials Chemistry and Physics, 2008,109:488-491.

[13]吳皆正,易石陽,歐陽琨.可控微米級多孔陶瓷的研制[J].硅酸鹽通報,1993(3):4-9.

[14]胡繼東,左小彪,馮志海.航天器熱防護(hù)材料的發(fā)展概述[J].航天返回與遙感,2011,32(3):88-92.

[15]蔡紅玉.有機(jī)泡沫浸漬法制備的SiC泡沫陶瓷的組織與性能研究[D].黑龍江,哈爾濱理工大學(xué),2014.

[16]Yoldas B E. Alumina gels that form porous transparent Al2O3[J].J Member Sci,1975(10):1856-1862.

[17]謝濤,何雅玲,等.氣凝膠納米多孔隔熱材料傳熱計算模型的研究[J].工程物理學(xué)報,2014(2):299-304.

[18]Lee D, Stevens P C,et al. Themal characterization of carbon-opacified silica aerogels[J].Journal of Non-Crystalline Solid,1995,186:285.

[19]Kwon T G,Choi S Y,Kang E S. Ambient-dried silica aerogel doped with TiO2power for thermal insulation[J]. Journal of Materials Science,2000,35: 6075-6079.

[20]高慶福,張長瑞,等.氧化鋁氣凝膠制備工藝研究進(jìn)展[J].功能材料,2009(39):648-650.

[21]胡子君,周潔潔,等.氧化鋁氣凝膠的研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報,2009(28):1002.

[22]周潔潔,陳曉紅,等.熱處理對塊狀氧化鋁氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響[J].宇航材料工藝,2010(40):52.

[23]Gash E,Thomas T. New Sol-gel synthetic route to transition and main-group metal oxide aerogel susing inorganic salt precusors[J].Journal of Non-Crystalline Solids,2001,258(1):22-28.

[24]Baumann F T, Gash E,etal.Synthesis of high-surface-aera alumina aerogels without the use of alkoside precursors[J].Chemistry of Materials,2005,17:395-401.

[25]Poco J F,Satcher J J H,etal. Synthesis of high porosity monolithic alumina aerogels[J]. Journal of Non-Crystalline Solids,2001,285:57-63.

[26]Tatsuro Horiuchi,Lalyuan Chen,Toshihiko. Thermally stable alumina-gallia aerogel as a catalyst for NO reduction with C3H6in the presence of excess oxygen.Catalysis Letters,2001,72(1-2):77-81.

[27]Melezhyk O,Prudius S V. Sol-gel polyment-template synthesis of mesoporous WO3/ZrO2[J].Microporous an Mesoporous Metarials,2001,49:39-44.

[28]宮文彪,白晶,劉威,等.摻雜納米CeO2對ZrO2-Y2O3熱障涂層隔熱性能的影響[J].復(fù)合材料學(xué)報,2009,26(1):96-102.

[29]陳力飚,葉釗.凝膠的干燥[J].福建化工,2002,(2):20-24.

[30]姚蘭芳,沈軍.常壓下低折射率納米多孔二氧化硅薄膜的制備[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003, 23(9): 1123-1126.

[31]Shlyakhtina A V,Young-Jei Oh. Transparent SiO2aerogels prepared by ambient pressure drying with ternary azeotropes as components of pore fluid[J]. Journal of Non-Crystalline Solids,2008,354:1633-1642..

[32]劉世明,曾令可,等.SiO2氣凝膠常壓干燥制備及性能分析[J].中國陶瓷,2008,44(10):30-32.

[33]左小榮.常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的工藝研究[D].湖南,中南林業(yè)科技大學(xué),2013.

[34]Blosser M L. Advanced metallic thermal protection systems for reusable launch vehicles[D].University ofVirginia,2000:32-38.

[35]Deng Z S,Wang J,Wu A M,etal. High strength SiO2aerogel insulation[J].Joumal of Non-Crystalline Solids,1998,225:101-104.

[36]Zhang Z H,Shen J,Ni Y Y,etal.PreParation and characterization of hydrophobic silica aerogels doped with fibers[J].Rare Metal Materials and Engineering,2008,37:16-19.

[37]高慶福,馮堅,張長瑞,等.陶瓷纖維增強(qiáng)氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].硅酸鹽學(xué)報,2009,37(l):l-5.

[38]施偉,譚毅,等.隔熱材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].材料導(dǎo)報,2012(26):344-347.

The Research Status and Development Tendency of Ceramic Heat Insulation Materials

Sun Da1Zhou Changling2Chen Heng1Zhu Junyang1Sui Xueye2

(1School of Materials Science and Engineering, University of Jinan, Jinan 250022;2Shandong Research and Design Institute Ceramics CO. , LTD, Zibo 255031)

Abstract:The development of ceramic heat insulation materials is closely related with the industry of aerospace, aviation, chemical, petroleum, construction, etc. Ceramic heat insulation materials become more and more favored. The main ways of thermal conductivity of ceramic heat insulation materials has been summarized. The commonly used ceramic heat insulation materials has been analysed. The development tendency of the ceramic heat insulation materials has been expounded.

Keywords:ceramic heat insulation materials; ways of thermal conductivity; research status; development tendency

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.05.003

作者簡介：孫達(dá)(1990~)，男，碩士.主要從事二氧化硅氣凝膠的低成本高效率制備工藝的研究.