一、研究背景

在全球气候挑战日益加剧的背景下，提高能源效率和减少排放的需求日益增长。在工业和建筑中，隔热材料的使用减少了能量损失，提高了能源效率，加强了对高性能隔热材料的关注。在航空航天技术的最前沿，由于飞机在服役期间面临的极端温度挑战，对绝缘材料的严格要求尤为突出。气凝胶具有低密度和多孔性，其优异的热阻和非常低的导热系数已被广泛研究，其导热系数可低至0.025 W/m·K。然而，气凝胶的多孔结构在高温下容易收缩和破裂，在强烈的热冲击或长时间高温下暴露会导致脆性和结构退化。此外，气凝胶通常是刚性材料，具有有限的灵活性，这阻碍了它们适应封装复杂结构所需的尺寸变化的能力，并使它们在振动环境中容易受到损坏。研究人员试图通过加入纤维和晶须等材料来增强气凝胶的机械性能，但在柔韧性方面的改善并不大。这些限制极大地限制了气凝胶的应用。

陶瓷纤维因其低导热系数、低密度、化学惰性、优异的柔韧性和热稳定性而被公认为一类先进的轻质耐火材料。尽管与气凝胶相比，这些纤维具有更高的导热性，但其优异的柔韧性和高温稳定性使其成为在恶劣环境条件下部署的必备材料。静电纺丝技术的发展使纤维直径明显减小。这种改进不仅提高了纤维的机械性能，而且降低了它们的导热性，从而增强了陶瓷纤维的隔热性能。氧化锆陶瓷纤维以其耐高温（熔点2715°C）、优异的抗氧化性和优异的机械性能而闻名，因其满足严格绝缘要求的潜力而被广泛研究。这些要求包括在极端条件下的机械灵活性和热稳定性。Guo等人报道了一种锯齿状结构的低晶锆石纳米纤维气凝胶的合成，该凝胶具有高机械性能和低导热性，通过策略性地加入残余碳来减轻高温下的辐射传热，在1000°C时的导热系数低至0.104 W m−1 K−1。Peng等人制备了由细小氧化锆颗粒和无定形二氧化硅网络组成的氧化锆纤维膜，该膜具有优异的机械性能，经1300℃热处理后的抗拉强度为4.0±0.7 MPa。Zhang等人同样通过引入无定形SiO2制备了多孔ZrO2-SiO2纳米纤维膜，展示了高柔韧性和低导热性（0.034 W m−1 K−1）的结合。通过对纤维形态的操纵、外源元素的引入以及多相的整合，可以显著提高纤维的力学性能和耐温性能。然而，为了减少固态传热而设计的提高孔隙率和降低密度的纤维材料并不能有效地抑制高温下的辐射传热。传统的氧化纤维如SiO2、ZrO2和Al2O3表现出红外透明度，这阻碍了它们在高温下阻挡辐射传热的效果。红外不透明剂，如碳、SiC和TiO2的掺入，经常被用来抑制保温材料中的高温辐射。碳和SiC在高温下容易氧化和降解，从而降低了它们的稳定性。相反，TiO2虽然具有抗氧化性，但在高温下容易促进晶粒生长，从而对材料的力学性能产生不利影响。Ma和Gan等人利用水热法在ZrO2多晶纤维表面生长TiO2，通过控制水热参数（包括时间和温度）获得高反射率复合纤维。然而，该工艺在TiO2和ZrO2之间引入了明显的界面边界，降低了界面结合强度，并且不能防止TiO2晶粒在高温下生长产生脆化。因此，开发能够同时提供优异的高温绝缘和机械性能的隔热材料仍然是一项艰巨的挑战。

在本研究中，我们利用同轴静电纺丝设备制备了具有沟槽结构的TiO2/ZrO2陶瓷纤维。同轴静电纺丝使两种不同的溶液通过不同的通道同时挤出到一个同轴针中，从而形成具有芯/壳结构的复合纤维。这种复合设计赋予纤维优异的高温绝缘和机械性能。TiO2壳层起到屏蔽辐射的作用，增强红外反射率；ZrO2芯层保持复合纤维的机械完整性，最大限度地减少复合纤维的固态传热。这两种材料之间的界面是无缝的，扩散的Zr原子有效地抑制了TiO2晶粒的生长。这种抑制作用对于避免高温条件下TiO2晶粒粗化引起的脆化至关重要。研究了不同芯壳溶液注入速率下制备的TiO2/ZrO2陶瓷纤维的物相组成和形貌，并对其力学和保温性能进行了表征。

二、摘要

在本研究中，采用同轴静电纺丝设备制备了沟槽型TiO2/ZrO2陶瓷纤维，该纤维具有增强的保温性能和优异的力学性能。这种纤维具有独特的核壳结构，包括一个作为有效辐射屏蔽的TiO2壳和一个保持机械坚固性的ZrO2芯。Zr和Ti原子在界面处的相互扩散促进了TiO2和ZrO2之间的无缝过渡，有效地抑制了TiO2晶粒的粗化，大大提高了纤维的抗拉强度，TZ-5样品的抗拉强度为1.47±0.08 MPa。通过控制静电纺丝过程中的注射速度，我们优化了纤维形态，以达到强度、柔韧性和绝热性的协同平衡。该纤维具有优异的隔热性能，导热系数范围为0.0294至0.0278 W m−1 K−1，平均红外反射率超过87%。实际的保温实验证实了TiO2/ZrO2纤维膜具有优异的保温性能。

三、结论

采用同轴静电纺丝法制备的沟槽型TiO2/ZrO2陶瓷纤维具有优异的保温性能和机械性能。独特的同轴结构，具有TiO2外壳和ZrO2核心，提供了机械和隔热性能的协同组合。力学性能得到明显改善，TZ-5试样的抗拉强度达到1.47±0.08 MPa。这种增强是由于Zr原子扩散到TiO2晶格中，导致方形ZrO2含量的增加和晶粒尺寸的细化。导热系数低至0.0278 W m−1 K−1，红外反射率超过87%，进一步提高了纤维膜的保温性能。实际的隔热测试表明，尽管热侧温度较高，但冷侧温度仅升高很小，证实了TiO2/ZrO2纤维膜的优越隔热性能。这些结果肯定了它们作为高温应用的先进绝热材料的潜力，特别是在机械强度和绝热性都不容置疑的航空航天和工业领域。

图1.制备过程示意图(a)和TiO2/ZrO2纤维膜的光学照片(b)。

图2.低倍率纤维的SEM图像（a1-e1），直径分布直方图（a2-e2），高倍率纤维的SEM图像（a3-e3），以及1000℃热处理后的TZ-1、TZ-2、TZ-3、TZ-4和TZ-5的纤维截面的SEM图像（a4-e4）。