基于羽绒结构的MgO-SiO2陶瓷纤维/六钛酸钾晶须复合材料制备及高温传热机制

MgO-SiO2 ceramic fiber is a new type environmental and energy saving material in the fields of metallurgy, petrochemical, building materials, electromechanical, and so on. However, the development of MgO-SiO2 ceramic fibers is hindered by the relatively high thermal conductivity and precipitation of cristobalite in fibers under high temperatures. In view of that, the bionical feather structure design concept for the MgO-SiO2 ceramic fibers is proposed in this research using the bionics design principle of material structure, based on the excellent thermal insulation property of cold-hardy bird plume with feather structure and outstanding infrared reflection ability of K2Ti6O13. This project will study the in-situ growth and arrangement of K2Ti6O13 whiskers on fiber surface modulated by the state of TiO2 coating; The influences of constructed feather structure types on the fiber structure and pore structure between fibers; The heat-transfer process and adiabatic mechanism of the mentionsed fiber composite materials with feather structure; Based on the influences of surface state of fibers on the growth pattern of K2Ti6O13 whiskers, investigate the preparation of feather structure and its influence mechanism on the heat-insulating properties of fiber materials. The researched results will provide theoretical basis for the development of energy-saving, environmental protection and effective thermal insulation MgO-SiO2 ceramic fibers.

MgO-SiO2陶瓷纤维是冶金、石化、建材、机电等行业高温绝热保温领域的新型环保节能材料。然而，高温热导率偏高和析出致癌物方石英的问题制约了MgO-SiO2陶瓷纤维材料在高温工业的进一步发展。为此，本项目基于耐寒禽类具有的羽绒结构赋予其优异隔热性能的生物现象，及六钛酸钾优良的高温红外反射能力，提出在MgO-SiO2陶瓷纤维材料中构建纤维为绒核、枝接六钛酸钾晶须为绒纤的羽绒结构以提升材料服役效能的设计构思；利用异相成核法在纤维表面包覆二氧化钛涂层，调节纤维表面形态，控制六钛酸钾晶须的原位生长及排布方式；在此基础上，系统研究羽绒结构构型对材料孔隙特征的影响；结合羽绒结构多尺度分级构造，研究材料传热过程，建立羽绒结构与材料绝热机制的关联；揭示羽绒结构的构建对纤维结构及材料高温隔热性能的影响机制。为发展节能、环保、高效绝热的新型MgO-SiO2陶瓷纤维材料提供理论依据。

MgO-SiO2陶瓷纤维在高温绝热环保领域应用过程中，高温热导率偏高及析出致癌物方石英成为制约其在高温工业进一步发展的瓶颈问题。由于析晶、隔热性能劣化主要受纤维及其复合材料的显微结构与高温演变所控制，因而对纤维晶化机制及复合材料显微结构进行调控，成为解决MgO-SiO2陶瓷纤维所面临问题的关键。本项目利用MgO-SiO2体系熔化、成纤及纤维析晶过程特点，调控纤维的分相与析晶行为，并结合不同温度下纤维的表面晶化特征，调节二氧化钛涂层在纤维表面的分区富集包覆形态，在调节高温析晶趋势的同时，降低了方石英析出量；建立了表面处理前后MgO-SiO2陶瓷纤维的生物溶解过程模型，不同温度热处理后仍具有较高的生物溶解速率常数（大于150 ng·cm-2·h）；系统研究了组成、温度、气氛等条件对六钛酸钾晶须生长行为的影响规律；研究了多类型微粉与陶瓷纤维共存条件下，硅质料浆流变性与固化行为及其对坯体性质的作用机制。以此为基础，对比研究了六钛酸钾晶粒/晶须在不同性状纤维表面的原位生长及排布方式，并对不同分级结构构型纤维复合材料的孔隙结构、力学性能及传热过程进行了系统研究，摸清了分级结构的构建对材料结构与力学性能的影响规律，明确了六钛酸钾晶须的生长状态及其分级结构对材料阻热过程的作用机制。项目研究取得了有创新意义的基础研究成果，对高强度、低热导率、绿色环保型陶瓷纤维的研究开发具有一定的科学意义，并在高温工业节能减排领域具有重要的实际应用价值。