具有生物构造的氧化锆隔热材料的制备及其隔热性能研究

Zirconia (ZrO2) fiber is a kind of heat-insulating material with high performance, which has an important position in the field of application of thermal insulation. Zirconia fiber obtained by traditional methods is solid, smooth-faced, and simple-structured. Its structure and morphology is not conducive to prevent air convection and get more excellent heat-insulating performance. Some biological components in nature also have the excellent heat-insulating properties, such as kapok fiber, eiderdown, fluff of some plants, etc. This is because these biological components have the unique constructions. Therefore, the project will use these biological components as template to prepare biological-construction-liked zirconia with excellent heat-insulating property. The final product will be got through impregnating compounds and controlling the synthesis of zirconia inside the biological template, and copying the template's unique construction. The thermal conductivities of the biomorphic heat-insulating zirconia will be studied. The study will focus on the process and mechanism of changing from biological template to zirconia, influence of preparation process conditions on the integrated degree of zirconia retaining constructions of the templates, role of the biological construction in promoting the heat-insulating property of the biomorphic zirconia, and influence of different biological construction on the heat-insulating property of the biomorphic zirconia, etc. This study will introduce the idea of the biomorphic material to the design of heat-insulating materials, and provide a new way for obtaining materials with high heat-insulating property.

氧化锆（ZrO2）纤维是一种高性能的隔热材料，在保温隔热应用领域有着极其重要的地位。传统方法制得的氧化锆隔热纤维呈实心丝状，纤维表面光滑，构造比较简单，其构造形貌不利于防止空气对流和获得更优异的隔热性能。自然界一些生物部件具有优异的隔热保温性能，如木棉纤维、鸭绒、鹅绒、植物的毛絮等。由于这些生物部件具有独特的构造，从而拥有优异的保温性能。本项目即以这些生物部件为模板，通过浸渍化合物和控制模板中氧化锆的合成，以及复制模板的独特构造，制备出具有生物构造的高性能氧化锆隔热材料，并研究该隔热材料的导热性能。重点研究生物模板向氧化锆的转变过程和机制，制备工艺条件对该氧化锆隔热材料保留模板构造完整程度的影响，生物构造对该氧化锆隔热性能的促进作用，以及不同生物构造对该氧化锆隔热性能的影响等问题。本研究可将生物态材料的设计理念引入到隔热材料中，为获得高隔热性能的材料提供新的思路。

本项目研究的氧化锆纤维是一种高性能隔热材料，在保温隔热应用领域有着极其重要的地位。传统方法制得的氧化锆隔热纤维呈实心丝状，其简单的构造不利于防止空气对流和获得更优异的隔热性能。自然界一些生物部件由于拥有独特的构造而具有优异的隔热保温性能，如中空的木棉纤维等。本项目受自然启发，开展了具有生物构造的高隔热性能氧化锆材料的研究。即以这些生物部件为模板，通过浸渍化合物和控制模板中氧化锆的合成，以及复制模板的独特构造，制备出具有生物构造的高隔热性能氧化锆中空纤维及制品。研究了生物模板向氧化锆的转变过程和机制，制备工艺条件对该氧化锆纤维保留模板构造完整程度的影响并优化制备工艺，生物构造对氧化锆纤维隔热性能的促进作用及机理，以及不同生物构造对氧化锆隔热性能的影响等问题。同时，研究了生物所含成分对生物态氧化锆纤维及制品的相稳定性、力学性能、抗老化性能、耐热循环性能、抗收缩能力的增益作用。研究结果表明，氧化锆纤维的中空结构有利于阻碍空气对流传热，延长并收窄陶瓷固体中声子传导路径，其从生物模板继承的红外线吸收能力有利于阻碍辐射散热，复杂的相组成有利于阻碍陶瓷中声子热传导；生物态氧化锆纤维的导热系数最低仅为传统实心氧化锆纤维的40%—48%，500°C和1000°C时氧化锆实心纤维的导热系数分别为0.1和0.25W/(m•K)，而生物态氧化锆中空纤维仅为0.048和0.1W/(m•K)，隔热性能得到大幅提升。研究还发现，部分生物所含的无定型硅可填充高能量的缺陷，防止单斜相氧化锆形核，提升四方相氧化锆的稳定性，同时，无定型硅可抑制生物态氧化锆纤维的老化，并以硬质增强体形式使氧化锆纤维及制品获得良好的力学性能、抗老化性能以及耐热循环性能，该研究可促进氧化锆中空纤维的实用化。生物态氧化锆纤维可用于各种高温环境，将具有更好的隔热保温效果，并使隔热部件减重。本研究将生物态材料的设计理念引入到隔热材料中，为获得高隔热性能的材料提供新的思路。