航空航天用飛行器在飛行時需承受長時間氣動加熱，基體表面將產生高溫，為了保證飛行器的主體結構及內部儀器設備的安全，須使用高效隔熱材料阻止外部熱流向內部擴散。同時，輕質高效的隔熱防護系統對降低飛行器載荷、延長飛行距離等均具有重要的意義。納米纖維材料具有孔徑小、孔隙率高等優點，是一種理想的輕質高效隔熱材料。本文主要介紹當前二維納米纖維膜、三維納米纖維氣凝膠隔熱材料的最新研究進展。

    二維納米纖維膜隔熱材料

    導彈電池隔熱套、發動機等狹小空間需要厚度較小但隔熱性能優異的材料，二維納米纖維膜材料由于纖維直徑小、堆積厚度可控（一般小于100μm）、孔隙率高等優點可用于狹小空間隔熱。納米纖維膜隔熱材料按組成可分為高分子納米纖維膜、碳納米纖維膜和陶瓷納米纖維膜。

    高分子納米纖維，如聚偏氟乙烯（PVDF）納米纖維纖維膜，由于具有更高的孔隙率和曲折網孔通道，從而使空氣分子在材料內部的傳輸路徑變長，熱量在傳播過程中損耗，因而可降低材料的導熱系數。為了進一步降低材料的導熱系數，有學者通過浸漬改性技術將SiO2納米顆粒包覆于PVDF納米纖維表面，進一步減小纖維膜孔徑，降低熱對流。然而，該材料在高溫環境中結構易被破壞，難以滿足應用需求。

    碳納米纖維具有比表面積大、孔隙率高、化學穩定性好、比強度高等優點，在電子、能源、航空航天等領域具有廣泛的應用前景。碳納米纖維膜材料隨著石墨化程度的提升，耐高溫性能逐漸提升，然而其隔熱性能也將大幅下降，因此難以滿足耐高溫與隔熱性能同步提升的需求。

    陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、絕緣性好等優點，在高溫隔熱、吸音、催化等領域具有廣泛的應用。然而，現有大部分陶瓷納米纖維具有脆性大、力學性能差、不耐彎折等缺陷，限制了其實際使用。為了克服這一缺點，有學者通過調整紡絲溶液性能及工藝參數，制備了具有無定形結構、柔性良好的SiO2納米纖維膜。同時，還可以通過浸漬改性方法在纖維間引入SiO2氣凝膠納米顆粒，構筑SiO2納米顆粒/納米纖維復合材料，提升SiO2納米纖維膜的隔熱性能。

    三維納米纖維氣凝膠隔熱材料

    二維納米纖維雖然具有良好的隔熱性能，但其在厚度方向難以實現有效增加（＞1 cm），這嚴重限制了其在大功率發動機隔熱、艙壁防火隔熱等領域的應用。與二維納米纖維膜相比，三維納米纖維氣凝膠材料具有尺寸可控、孔隙率高、孔隙曲折程度高等優點，因而在隔熱、保暖、吸音等領域均具有廣闊的應用前景。目前，常見的納米纖維氣凝膠隔熱材料主要包括高分子納米纖維氣凝膠和陶瓷納米纖維氣凝膠兩種。

    陶瓷納米纖維氣凝膠

    陶瓷氣凝膠材料具有優異的耐高溫、耐腐蝕及隔熱性能，是航空航天飛行器熱防護的主要材料之一。現在使用的氣凝膠隔熱材料主要為陶瓷纖維增強的SiO2納米顆粒氣凝膠，由于納米顆粒與陶瓷纖維間相互作用弱，導致材料在使用過程中納米顆粒易脫落，從而使材料的結構穩定性和隔熱性能大幅下降。為了解決上述問題，有學者以柔性陶瓷納米纖維為構筑基元，利用原創的三維纖維網絡重構方法，構筑了超輕質、超彈性陶瓷納米纖維氣凝膠材料。

陶瓷納米纖維氣凝膠制備過程示意圖

    該氣凝膠材料具有類似蜂巢的網孔結構，每個網孔中纖維相互纏結黏結，形成穩定的纖維網絡，賦予了氣凝膠良好的結構穩定性。其在大形變（80%應變）壓縮下仍能快速回彈，經500次壓縮循環后其塑性形變僅為12%，優于現有的陶瓷氣凝膠材料。同時，材料在酒精燈火焰（約600℃）及丁烷噴燈（約1100℃）下壓縮50%后仍能回復，展現出了優異的高溫壓縮回彈性能。

陶瓷納米纖維氣凝膠在酒精燈下的壓縮照片

陶瓷納米纖維氣凝膠在丁烷噴燈火焰下的壓縮照片

放有花瓣的不同材料在350℃熱臺上10 min后的照片

    高分子納米纖維氣凝膠

    針對現有氣凝膠材料力學性能差、脆性大的問題。有學者用具有高彈性模量、高強度、低密度的纖維素納米晶為構筑基元，通過凝膠、超臨界干燥方法制備了具有良好透明性、力學性能的纖維素納米晶氣凝膠，可彎曲至180°而不發生破壞，同時其在大形變（80%）下壓縮后仍能回復且最大應力大于200 kPa。此外，纖維素納米晶還展現出了優異的隔熱性能。

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org

責任編輯：殷鵬飛

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事
投稿聯系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414