多孔陶瓷隔热材料有哪些？市场发展前景如何？

     多孔陶瓷是一种富含气孔的陶瓷基复合材料，除了具有陶瓷材料本身的耐高温、耐腐蚀和不老化等性能外，还具有其它致密材料不具备的优异特性，如轻质、吸声、隔热、吸收能量、高比表面积等。这些性能使得多孔陶瓷可以在过滤净化、催化剂附载、吸声、减震、防火和保温等方面具有良好的应用。就其隔热保温性能而言，由于陶瓷本身的热导率较低，多孔结构内充斥的气体又极大地增强了材料的隔热性能，使得多孔陶瓷可以作为高温绝热材料被应用于建筑、航天、仓储、机械等领域，在各种建筑物、发动机、冰箱、工业窑炉等工程应用极为适用，是重要的保温、隔热、保冷功能材料。因此对多孔陶瓷隔热材料的研究有着极重要的现实意义。

▲多孔陶瓷材料

       隔热材料按照其针对用途区分，可以分为高温隔热和低温隔热两类。高温隔热是为了阻止物体内部的热量向外扩散，提高热能利用率，或者保持物体或容器的温度不降低；低温隔热材料是为了阻止外界的热量传入，从而防止物体内部温度升高。多孔陶瓷具有较高的熔点，通常作为高温隔热材料，目前，1600℃的传统气炉和高温电炉中已广泛使用多孔陶瓷作为隔热材料；在神州系列飞船，长征系列火箭中，多孔陶瓷与金属隔热材料等组成的多层隔热材料得到了很好的应用；航天飞机的隔热外壳是由抽成真空的多孔陶瓷组成的，真空多孔陶瓷是目前世界最好的隔热材料。下面小编将对重要的多孔隔热陶瓷材料及其应用领域做简单的介绍。

01纤维多孔陶瓷

       陶瓷纤维是一种集传统绝热材料、耐火材料优良性能于一体的纤维状轻质耐火材料，主要化学成分为硅酸铝，结构具有气孔率高，气孔孔径大及比表面积大等特点。陶瓷纤维产品的内部组织结构是一种由陶瓷纤维与空气组成的多孔结构，显微结构特点是固相和气相都以连续相的形式存在，固态物质以纤维状存在，并构成连续相骨架，而气相则连续存在于纤维材料的骨架间隙之中。正是由于陶瓷纤维具有这种结构，使其气孔率较高、气孔孔径和比表面积较大，从而使陶瓷纤维具有优良的隔热性能和较小的体积密度。

▲莫来石纤维多孔材料纤维架状结构孔洞的SEM照片

      陶瓷纤维隔热材料由于具有密度低、热导率低以及热容量高等优点，一直是导弹以及航天飞行器热防护系统隔热的首选材料，例如高速飞行航天器外表面隔热用的隔热瓦便是其中一种。

02大颗粒烧结陶瓷

     随着现代工业的发展，陶瓷产业和冶金产业产生的矿渣和陶瓷废料越来越多，有研究人员以抛光废渣、高温砂、低温沙、粘土为原料制备了具有保温隔热功能的环保型多孔陶瓷材料，实现了真正意义上的变废为宝。这种方法制备出来的多孔陶瓷，其隔热性能及强度不如其它的陶瓷，但是其工艺简单，原料丰富且价格低廉，还能将一些工业废料进行环境友好的处理。

▲用抛光渣、湖南石粉、b5砂及中级球土制备的环保型多孔陶瓷材料

      由于天然资源的快速消耗，人们也在努力的把废弃物转化的原料应用到工业生产中，比如利用石英沙等制备非粘土空心砖，既可以达到节约原料的目的，又可以节能减排。目前欧美70~80%的墙体的材料都变成了多孔砖，应用多孔隔热材料可以使房屋达到冬暖夏凉的效果，在很大的程度上可以减少暖气和空调等电器的使用，间接地节约了能源。

03多孔热障陶瓷涂层

      热障陶瓷涂层是当下用于飞机发动的最有效的隔热材料，技术最成熟的是氧化钇稳定氧化锆涂层（PYSZ）TBCs，热障涂层已经广泛应用于航天器和涡轮的热端部件，通过降低金属基体的温度来保护热端部件。为了进一步的提高热障涂层的隔热性能，人们又通过把热障涂层制备成多孔形态。有研究人员研究了温度以及孔隙率对导热系数的影响，确认引入孔隙能够提高热障涂层的隔热性能。

▲激光工艺下制备的热障涂层（a）表观形貌（b）SEM形貌04复合隔热陶瓷

      多孔陶瓷隔热材料主要用于高温隔热场合，但隔热效果由于受到生产工艺的限制还难以进一步的提高，很难同时满足各项要求，因此研究者通过制备陶瓷基复合材料来弥补这些不足，如陶瓷气凝胶高效隔热复合材料，高温多层隔热陶瓷复合材料等。

1、陶瓷气凝胶高效隔热复合材料

     在气凝胶中适当的添加陶瓷纤维形成的复合材料。气凝胶是一种以纳米量级胶体粒子相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料。气凝胶是目前隔热效果最好的隔热材料，轻质多孔耐高温氧化物气凝胶作为隔热材料对航空航天事业发展意义重大，现已被应用于航天器舱体隔热、航空发动机热防护、太空车燃料储罐保冷和太空生命起源探索等方向。

      SiO₂气凝胶是目前研究最广泛、隔热应用最为成熟的气凝胶种类，但目前急需需要解决气凝胶自身内部颗粒之间弱链接造成的陶瓷脆性问题。鉴于此，力学增强一直是SiO₂气凝胶隔热材料研究的重点方向，纤维复合增强是最为有效且常见的增强方法，通常将不同种类、不同直径的长、短纤维引入溶胶-凝胶制备工艺获得SiO₂气凝胶复合材料。近年来，隔热用纤维增强SiO₂气凝胶复合材料在强化和改善纤维与SiO₂气凝胶基体之间的相界面结合和利用特定功能纤维来满足SiO₂气凝胶材料的柔性、高强度、低热导和耐高温等指标要求两方面已取得重要进展。

                                ▲连续纤维增强SiO₂气凝胶复合材料形貌

2、高温多层隔热陶瓷复合材料

       由高温的夹层多孔陶瓷材料组合而成，金属隔热材料一般以层状形式存在。在高温下热辐射是传热的主要的方式，因此采用若干层具有较高反射率的热不透明金属箔作为隔热屏，以高温无机纤维纸作为间隔物，交替叠铺而成复合隔热材料，金属箔反射热辐射，间隔物用以阻滞热传导，从而降低陶瓷纤维隔热材料高温辐射传热，提高隔热效果。这种多层复合隔热陶瓷材料是一种极为有效的高温隔热材料，可用作载人飞船座舱的隔热，并在长征系列运载火箭和远程导弹的局部区域得到了应用。

05小结

      多孔陶瓷具有优异的隔热性能，较高的温度承受能力，在高温隔热领域具有无可比拟的优势，尤其在环境恶劣、对质量有苛刻要求的航空航天热防护领域，因此多孔陶瓷用作隔热材料具有非常良好的发展前景。目前，研究人员已开发了多种多孔陶瓷隔热材料并在生产实践中投入使用，但对多孔隔热材料的开发仍存在着一些局限性和不足，如对材料的各种导热过程的机理、控制条件并没有完全掌握，对多孔陶瓷隔热性能的控制因素也还不能够彻底掌控等，因此制约了多孔陶瓷更广泛的应用。未来相关研究人员应该更进一步探索多孔材料的导热机理，将多孔材料的制备工业化、产业化才是多孔陶瓷的发展方向。