張曉山, 王兵, 吳楠, 韓成, 劉海燕, 王應(yīng)德

高紅外遮蔽SiZrOC納米纖維膜的制備及其性能研究

張曉山1, 王兵1, 吳楠2, 韓成1, 劉海燕1, 王應(yīng)德1

(國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院 1. 新型陶瓷纖維及其復(fù)合材料重點實驗室; 2. 材料科學(xué)與工程系 長沙 410073)

陶瓷纖維具有較好的力學(xué)、耐高溫和抗熱震性能, 是重要的高溫隔熱材料。目前, 傳統(tǒng)陶瓷纖維膜高溫隔熱性能不佳, 限制了其在高溫隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用。本研究采用靜電紡絲技術(shù)制備了具有高紅外遮蔽性能的SiZrOC納米纖維膜, 纖維的平均直徑為(511±108) nm, 組成為SiO2、ZrO2、SiOC和自由碳。SiZrOC纖維膜展現(xiàn)出優(yōu)異的高溫隔熱性能。在1000 ℃時, SiZrOC纖維膜的熱導(dǎo)率僅為0.127 W·m–1·K–1, 明顯低于其他傳統(tǒng)陶瓷隔熱纖維。此外, SiZrOC纖維膜還具有較高的強度、良好的柔性和優(yōu)異的耐高溫性能, 在高溫隔熱領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。本研究可以為制備其他高性能隔熱材料提供新的思路。

陶瓷纖維; 高溫隔熱; 靜電紡絲; 紅外遮蔽

近年來, 在航空航天、核能發(fā)電和工業(yè)冶金等領(lǐng)域具有良好力學(xué)、耐高溫和隔熱性能的材料備受關(guān)注[1-3]。由于陶瓷纖維膜具有密度低、強度高、耐高溫和抗熱震性能好等優(yōu)點, 其在高溫隔熱領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[4-6]。陶瓷纖維膜既可以單獨作為耐高溫隔熱體, 也可以作為氣凝膠隔熱材料的增強體和遮光劑, 是高溫隔熱領(lǐng)域所需的關(guān)鍵原材料[4,7]。

由于氧化物陶瓷纖維(如SiO2[8], ZrO2[9], Al2O3[10]和莫來石[11]等)具有較低的固體熱導(dǎo)率和較好的抗氧化性能, 是目前較常用的隔熱纖維。但氧化物類纖維在近中紅外波段的紅外輻射透過性強, 紅外遮蔽性能差, 在高溫條件下輻射傳熱較大[7,12]。因而, 氧化物纖維膜在高溫條件下熱導(dǎo)率較高(如ZrO2纖維膜在1000 ℃時的熱導(dǎo)率為0.163 W·m–1·K–1[13], Al2O3纖維膜在1200 ℃時的熱導(dǎo)率為0.295 W·m–1·K–1[14], 莫來石纖維膜在1000 ℃時的熱導(dǎo)率為0.301 W·m–1·K–1[11]),高溫隔熱性能不佳。

相比于氧化物纖維, 非氧化物纖維(如C和SiC等)雖然具有較高的紅外遮蔽性能, 但其自身較高的固體熱導(dǎo)率(如SiC纖維熱導(dǎo)率約為11.6 W·m–1·K–1, 碳纖維熱導(dǎo)率約為1000 W·m–1·K–1)極大地限制了其在隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用[15-16]?？傊? 目前傳統(tǒng)的陶瓷纖維膜高溫隔熱性能不佳, 難以滿足航空航天等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芨魺岵牧系钠惹行枨蟆ｉ_發(fā)具有良好高溫隔熱性能的新型隔熱纖維迫在眉睫, 但同時也面臨諸多挑戰(zhàn)。

由Stefan-Boltzmann定律可知, 在高溫條件下, 輻射傳熱占主導(dǎo), 其中, 材料的輻射熱導(dǎo)率(r)可表示為式(1)[1]:

式中,為斯蒂芬–玻爾茲曼常數(shù),為材料的折射率,為絕對溫度,為材料的密度,為材料的紅外消光系數(shù)(表示紅外輻射線通過材料時因吸收和反射導(dǎo)致的輻射能量的衰減程度)。由式(1)可知, 在材料密度一定的情況下, 增加材料的紅外消光系數(shù)可有效降低輻射熱導(dǎo)率。目前, 具有高紅外消光系數(shù)的材料(如C, TiO2, SiC和CeO2等)已經(jīng)作為遮光劑用于高溫條件下降低輻射傳熱[17-20]。

目前, 提高氧化物纖維紅外遮蔽性能的方法主要有兩種: 一種方法是在纖維表面構(gòu)筑高反射涂層, 如Hass等[17]在Al2O3纖維表面制備了TiO2反射涂層, 研究結(jié)果表明涂層纖維反射率明顯增大, 與無涂層纖維相比, 紅外消光系數(shù)提高了約40%; Xu等[18]將莫來石纖維在聚碳硅烷溶液中浸漬后進行高溫裂解,在纖維表面制備了SiC涂層, 研究結(jié)果表明在2.5～7.5 μm范圍內(nèi)的纖維紅外消光系數(shù)提高了近85.2%; Gan等[19]采用水熱反應(yīng)法在ZrO2纖維表面制備了CeO2高反射涂層, 相比于無涂層纖維, CeO2/ZrO2纖維在2.5～10 μm范圍內(nèi)的紅外消光系數(shù)提高了近1倍。然而, 此種方法制備工藝復(fù)雜, 周期較長, 不利于規(guī)?；a(chǎn), 在長期使用過程中涂層易剝落, 進而導(dǎo)致纖維紅外遮蔽性能下降。另一種方法是將遮光劑與氧化物纖維復(fù)合制備復(fù)相纖維, 該方法可一步制備得到高紅外遮蔽隔熱纖維, 制備工藝簡單, 且不存在涂層剝落、紅外遮蔽性能降低的問題。

近期, 本課題組設(shè)計制備了氧化物相(SiO2和ZrO2)與遮光劑相(SiOC和C)復(fù)合的多相SiZrOC纖維, 由于多相結(jié)構(gòu)降低了輻射熱傳導(dǎo), 制備的SiZrOC纖維膜在高溫條件下具有較低的熱導(dǎo)率(0.139 W· m–1·K–1, 1000 ℃)[21]。但由于制備的纖維呈帶狀, 直徑較粗, 纖維間固體熱傳輸較高, 其隔熱性能還有待進一步提升。已有研究表明, 減小纖維直徑可提升纖維膜的隔熱性能, 當(dāng)纖維直徑達到納米級時效果更明顯[2,6,12]。

因此, 本研究在設(shè)計合成聚硅鋯氧烷(PZSO)紡絲溶膠先驅(qū)體的基礎(chǔ)上, 采用靜電紡絲技術(shù)和高溫裂解工藝制備SiZrOC納米纖維膜, 研究SiZrOC納米纖維膜的隔熱性能, 為設(shè)計制備其他高性能隔熱材料提供參考。

1 實驗方法

1.1 試劑

原料乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)、稀硝酸(1 mol·L–1)和乙酸, 購于中國醫(yī)藥集團有限公司; 鋯酸丁酯、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和,二甲基甲酰胺(DMF), 購于阿拉丁試劑(中國)有限公司。所有試劑均為分析純, 購買后直接使用。

1.2 SiZrOC纖維膜的制備

圖1為制備SiZrOC纖維膜的流程示意圖, 主要包括合成紡絲溶液、靜電紡絲和高溫裂解。合成PZSO紡絲溶液的過程為: 首先將0.2 g PVP加入到2 g DMF和0.6 g稀硝酸的混合溶液中, 以400 r·min–1轉(zhuǎn)速攪拌4 h使PVP完全溶解; 隨后將0.6 g VTMS加入上述溶液中繼續(xù)攪拌2 h; 最后將3.9 g鋯酸丁酯和1.2 g乙酸溶液混合后加入上述溶液, 繼續(xù)攪拌2 h得到PZSO紡絲溶液。

圖1 SiZrOC納米纖維膜制備流程示意圖

將合成的PZSO溶液置于10 mL注射器中, 在靜電紡絲機上進行紡絲。紡絲電壓、收絲距離和供液速率分別為15 kV、15 cm和0.9 mL·min–1, 紡絲環(huán)境溫度為30 ℃, 相對濕度為40%; 將得到的PZSO先驅(qū)體纖維移至高溫管式爐中, 在氬氣氣氛中以5 ℃·min–1的速率升溫至1000 ℃, 并保溫1 h, 得到SiZrOC納米纖維膜。同時, 為了對比遮光劑對隔熱性能的影響, 將制備的PZSO先驅(qū)體纖維在相同升溫速率和裂解溫度下, 在空氣氣氛中裂解制備了SiZrO纖維膜。

1.3 測試與表征

采用掃描電子顯微鏡(SEM, Hitachi S4800)、透射電子顯微鏡(TEM, Talos F200X)、X射線光電子能譜(XPS, Thermo SCIENTIFIC ESCALAB 250Xi)和X射線衍射儀(XRD, Bruker D8 Advance)分析纖維的組成和微觀結(jié)構(gòu); 采用熱重(Pekin Elmer Pyris 1 TGA)-紅外(FT-IR, Nicolet-360, Thermo Fisher Scientific)聯(lián)用分析儀分析先驅(qū)體纖維的無機化轉(zhuǎn)變過程; 采用熱重–差熱分析儀(TG-DSC, NETZSCH STA 449F3)測試?yán)w維的耐高溫性能, 測試氣氛為氬氣, 升溫速率為5 ℃·min–1; 采用熱物性分析儀(Hot Disk TPS 2500S)測試?yán)w維膜的隔熱性能, 測試過程參考ISO 22007-2:2015標(biāo)準(zhǔn); 采用Nicolet-360紅外分析儀測試?yán)w維膜的紅外透過率。

通過測試?yán)w維膜紅外透過率(t), 采用式(2)計算纖維膜的紅外消光系數(shù)()。

式中,為纖維膜密度,為纖維膜厚度,t為纖維膜紅外透過率。

采用拉伸測試儀(Testometric Micro 350)測試?yán)w維膜的拉伸強度(), 樣品長度為20 mm, 寬度為3 mm, 拉伸速率為1 mm·min–1。拉伸強度由式(3)計算得到:

式中,為最大斷裂力值,為樣品寬度,為樣品厚度。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌、組成和結(jié)構(gòu)分析

圖2為PZSO先驅(qū)體纖維的FT-IR分析結(jié)果, 從圖中可以看出, 在1150～1050 cm–1范圍內(nèi)存在明顯的Si–O–Si伸縮振動峰, 這可能是由于VTMS通過水解縮合反應(yīng)形成了–Si–O–Si–結(jié)構(gòu)[22-23]; 由于VTMS側(cè)鏈基團不參與水解縮合反應(yīng), 因此在1390、1257和780 cm–1處存在明顯的CH2=CH–Si彎曲和伸縮振動峰[22]。在1561和1453 cm–1處可觀察到CH3COO–的特征峰, 這可能是由Zr(OC4H9)4和乙酸反應(yīng)形成了CH3COO–配位鍵[24]。此外, 在747和965 cm–1處的特征峰分別歸屬于Zr–O和Si–O–Zr的伸縮振動峰[25], 說明VTMS與鋯酸丁酯間發(fā)生了水解縮合反應(yīng), 形成了具有Si–O–Zr結(jié)構(gòu)的PZSO先驅(qū)體。在1663 cm–1處的特征峰歸屬于助紡劑PVP中的C=O伸縮振動峰[25]。

圖2 PZSO先驅(qū)體纖維的紅外譜圖

圖3為PZSO先驅(qū)體纖維的TG曲線和不同溫度下裂解氣體的FT-IR圖譜。從圖3(a)中可以看出, 纖維無機化轉(zhuǎn)變過程主要存在兩個階段: 第一階段為25～240 ℃, 纖維出現(xiàn)緩慢失重(約8.75%), 這主要來自于PZSO先驅(qū)體側(cè)鏈基團和PVP的分解, 伴隨有少量小分子的揮發(fā); 在200 ℃時(圖3(b)), 揮發(fā)產(chǎn)物中出現(xiàn)了CH=CH、C=C–H、RCONH2和ROH等碳氫小分子的特征峰[26-27]。第二階段為240～600 ℃, 纖維出現(xiàn)了明顯失重(達28.45%), 由圖3(b)可以看出在此溫度區(qū)間有大量C=C–H、CH4、–COOR、COH和C2H5OH等小分子釋放, 說明先驅(qū)體無機化轉(zhuǎn)變主要在此溫度區(qū)間內(nèi)完成[26]。進一步升高溫度, 先驅(qū)體基本不失重, 且在FT-IR譜圖中也檢測不到明顯的釋放產(chǎn)物, 說明先驅(qū)體無機化轉(zhuǎn)變已基本完成。當(dāng)溫度達到900 ℃時, PZSO先驅(qū)體纖維陶瓷產(chǎn)率達64%, 說明PZSO溶膠發(fā)生了充分的縮合反應(yīng), 有助于制備結(jié)構(gòu)致密的SiZrOC纖維。

圖3 (a)PZSO先驅(qū)體纖維TG曲線和(b)不同溫度下裂解產(chǎn)物氣體FT-IR譜圖

圖4為SiZrOC纖維膜的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)分析結(jié)果。從圖4(a)的應(yīng)力–應(yīng)變曲線中可以看出, 纖維膜的平均拉伸強度達(2.39±0.41) MPa, 表現(xiàn)出較高的強度。如圖4(a)插圖所示, 一塊寬度為1 cm、厚度為0.2 mm的SiZrOC纖維膜可以懸掛起重量為10 g的砝碼, 這也說明制備的SiZrOC纖維膜具有較高的強度。此外, 一塊SiZrOC纖維膜可以纏繞在直徑為5 mm的玻璃棒上, 而不出現(xiàn)裂紋, 這也說明制備的SiZrOC纖維膜具有較好的柔性。制備的SiZrOC纖維膜的密度和孔隙率分別為0.068 g·cm–3和97.6%, 較低的密度和較高的孔隙率有助于降低固體熱傳導(dǎo), 提高纖維膜的隔熱性能。由圖4(b)的SEM分析結(jié)果可以看出, 纖維表面光滑、致密, 無明顯裂紋等缺陷,形貌均勻, 平均直徑為(511±108) nm; 直徑較細有助于減小纖維自身熱傳輸通道, 增加纖維膜厚度方向上纖維之間的堆疊界面數(shù), 使纖維間的界面熱阻增大, 有利于提高纖維膜的隔熱性能。同時, 纖維較致密, 也使其表現(xiàn)出了較高的強度和柔性。由圖4(c) EDS分析結(jié)果可以看出, 纖維中主要含有Si、Zr、O和C四種元素, 各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為14.94%、35.18%、15.54% 和 34.34 %。由圖4(d)的TEM和HRTEM分析結(jié)果可以看出, SiZrOC纖維結(jié)構(gòu)為無定形相和大量的納米晶粒, 納米晶的晶面間距為0.297 nm, 對應(yīng)于四方相ZrO2的(111)晶面[6]。由SAED電子衍射花樣也可以看出, 納米晶具有較高的結(jié)晶度, 存在四方相ZrO2的(111)、(220)和(311)晶面衍射環(huán)[28], 證明纖維中的納米晶為四方相ZrO2。

圖5為SiZrOC和SiZrO纖維的XRD圖譜, 從圖中可以看出, SiZrOC和SiZrO纖維均在2=30.2°、35.2°、50.3°和60.2°處存在明顯的四方相ZrO2特征峰, 分別歸屬于(111)、(200)、(220)和(311)晶面[29], 與TEM的分析結(jié)果一致。此外, SiZrOC纖維的XRD圖譜在2=22.5°附近存在微小的饅頭峰, 為無定形的SiO2和SiOC特征峰。由以上分析可以看出, 纖維由無定形的SiO2、SiOC和四方相ZrO2組成[22]。

圖6為SiZrOC和SiZrO纖維的XPS分析結(jié)果, 從圖中可以看出, SiZrOC和SiZrO纖維中均存在明顯的Si2p、Si2s、Zr3d、Zr4p、Zr3p和O1s特征峰[6,25]。相比于SiZrO纖維, 在SiZrOC纖維中還存在C1s的特征峰, 進一步證實在SiZrOC纖維中主要含有Si、Zr、O和C四種元素, 而SiZrO纖維中僅含有少量的C元素。對SiZrOC纖維的C1s、Si2p和Zr3d特征峰進行了分峰擬合分析, 結(jié)果如圖6(b～d)所示, 由C1s分峰結(jié)果可以看出, 在284.8、285.5和288.2 eV處分別存在C–C、C–O和C=O鍵的特征峰, 說明纖維中C元素可能以自由碳和SiOC的形式存在[25]; 由Si2p擬合結(jié)果可以看出, Si元素存在SiO4、CSiO3、C2SiO2和C3SiO等鍵合狀態(tài), 表明Si元素可能以SiO2和SiOC形式存在; 由Zr3d擬合結(jié)果可以看出, 在182.5和185.1 eV處存在Zr–O鍵的特征峰, 表明Zr元素以ZrO2的形式存在[25]。

圖4 (a)SiZrOC纖維膜的應(yīng)力–應(yīng)變曲線(插圖為SiZrOC纖維膜懸掛10 g砝碼和纏繞玻璃棒光學(xué)照片); (b)SiZrOC纖維的SEM照片(插圖為纖維直徑分布圖); (c)SiZrOC纖維的EDS譜圖和元素含量; (d)SiZrOC纖維的TEM、HRTEM和SAED照片

圖5 SiZrOC和SiZrO纖維的XRD圖譜

以上分析結(jié)果表明, 纖維內(nèi)部含有SiO2、ZrO2、SiOC和自由碳相, 這種含有低固體熱導(dǎo)率氧化物相和高紅外遮蔽性能非氧化相的多相復(fù)合結(jié)構(gòu)有望充分發(fā)揮各自的優(yōu)點, 使SiZrOC纖維膜具備較好的隔熱性能。

2.2 隔熱性能

為了展示SiZrOC纖維膜的隔熱性能, 將一片新鮮綠蘿葉置于一塊厚度為～8 mm的SiZrOC纖維膜表面, 纖維膜底部采用酒精燈加熱1和5 min后, 綠蘿葉仍保持完好, 未出現(xiàn)明顯的灼燒痕跡(圖7(a)), 表明制備的SiZrOC纖維膜具有較好的隔熱性能。此外, 在25和1000 ℃條件下測試了SiZrOC和SiZrO纖維膜的熱導(dǎo)率(圖7(b)), 從圖中可以看出, 當(dāng)溫度為25 ℃時, SiZrOC纖維膜的熱導(dǎo)率為0.039 W·m–1·K–1, 略高于SiZrO纖維膜的熱導(dǎo)率(0.037 W·m–1·K–1), 這可能是由于SiZrOC纖維內(nèi)部的自由碳固體熱導(dǎo)率較高, 導(dǎo)致SiZrOC纖維膜固體熱導(dǎo)率增大; 但在1000 ℃時, SiZrOC纖維膜的熱導(dǎo)率僅為0.127 W·m–1·K–1, 與SiZrO纖維膜相比, 熱導(dǎo)率下降了～33%。由式(1)可知, 在高溫條件下輻射熱導(dǎo)率迅速增大, 通過增強材料的紅外消光系數(shù)可以降低高溫條件下的輻射熱導(dǎo)率。為此, 測試了SiZrOC和SiZrO纖維膜在2.5～7.5 μm范圍內(nèi)的紅外消光系數(shù), 結(jié)果如圖7(c)所示, 從結(jié)果中可以看出, SiZrOC纖維膜的紅外消光系數(shù)明顯高于SiZrO纖維膜的紅外消光系數(shù); 在5 μm波長處, SiZrOC纖維膜的紅外消光系數(shù)高達404.5 m2·kg–1, 與SiZrO纖維膜相比, 其紅外消光系數(shù)提高了近33倍, 這是由于SiZrOC纖維內(nèi)部的自由碳相具有較高的紅外遮蔽性能, 導(dǎo)致SiZrOC纖維膜的紅外消光系數(shù)顯著增大[20,30]。通過以上分析, SiZrOC纖維膜的高溫隔熱機理為: ①SiZrOC纖維膜具有較高的紅外消光系數(shù), 其輻射熱導(dǎo)率較低。②SiZrOC纖維由SiO2、ZrO2、SiOC和自由碳多相組成, 大量的相界面有助于增強聲子–界面散射, 使聲子熱傳輸阻礙增大。同時, 纖維內(nèi)部大量的SiO2和ZrO2相自身固體熱導(dǎo)率較低, 這都導(dǎo)致纖維自身具有較低的固體熱導(dǎo)率。此外, SiZrOC纖維膜具有較高的孔隙率, 這也使纖維膜固體熱傳輸減小。③SiZrOC纖維直徑較小, 其自身傳熱通道較窄, 同時纖維膜在厚度方向上纖維之間的搭接界面數(shù)增加, 導(dǎo)致纖維間的界面熱阻增大, 這也有助于提升纖維膜的隔熱性能。因此, SiZrOC納米纖維在高溫條件下具有較低的熱導(dǎo)率。

圖6 (a)SiZrOC和SiZrO纖維的XPS全譜圖; (b)C1s, (c)Si2p和(d)Zr3d分峰擬合圖

圖7 (a)酒精燈加熱SiZrOC纖維膜的光學(xué)照片, (b)25和1000 ℃下SiZrOC和SiZrO纖維膜熱導(dǎo)率, (c)SiZrOC和SiZrO纖維膜的消光系數(shù)和(d)1000 ℃下SiZrOC纖維膜熱導(dǎo)率與傳統(tǒng)陶瓷纖維熱導(dǎo)率對比

進一步對比研究了1000 ℃條件下SiZrOC纖維的熱導(dǎo)率和文獻報道的其他陶瓷隔熱纖維(如ZrO2[13], 莫來石[11,31], Al2O3[32]和C[30,33])的熱導(dǎo)率(圖7(d))。在高溫條件下, SiZrOC纖維的熱導(dǎo)率明顯低于傳統(tǒng)陶瓷隔熱纖維的熱導(dǎo)率, 這也說明制備的SiZrOC纖維膜具有較好的高溫隔熱性能, 在高溫隔熱領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

采用TG分析了SiZrOC纖維的耐高溫性能, 結(jié)果如圖8所示。從圖8的測試結(jié)果中可以看出, 在溫度達到1200 ℃時, 纖維僅出現(xiàn)少量的失重(～1.7%), 說明SiZrOC纖維在高溫條件下具有較好的穩(wěn)定性。并且, 在Ar氣氛中, 經(jīng)1200 ℃高溫?zé)崽幚? h的SiZrOC纖維膜仍可彎曲, 保持了較好的柔性, 這也進一步證實SiZrOC纖維具有較好的耐高溫性能。以上研究結(jié)果表明, 制備的SiZrOC纖維具有較好的力學(xué)、耐高溫和高溫隔熱性能, 有望在高溫隔熱領(lǐng)域得到應(yīng)用。

圖8 SiZrOC納米纖維在不同溫度質(zhì)量下的保留率

3 結(jié)論

采用靜電紡絲技術(shù)制備了由SiO2、ZrO2、SiOC和自由碳多相組成的SiZrOC納米纖維膜, 纖維膜具有較高的強度、良好的柔性和優(yōu)異的耐高溫和隔熱性能。在1000 ℃時, SiZrOC納米纖維膜的熱導(dǎo)率僅為0.127 W·m–1·K–1, 低于傳統(tǒng)陶瓷隔熱纖維的熱導(dǎo)率。SiZrOC納米纖維膜良好的高溫隔熱性能是由其獨特的多相組成和直徑較細導(dǎo)致的, 這有效降低了纖維固體熱傳導(dǎo)和高溫條件下的輻射傳熱, 其設(shè)計理念也為制備其他高性能隔熱材料提供了新的思路。

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Infrared Radiation Shielded SiZrOC Nanofiber Membranes: Preparation and High-temperature Thermal Insulation Performance

ZHANG Xiaoshan1, WANG Bing1, WU Nan2, HAN Cheng1, LIU Haiyan1, WANG Yingde1

(1. Science and Technology on Ceramic Fibers and Composites Laboratory, College of Aerospaces Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China; 2. Department of Material Science and Engineering, College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Ceramic fibers are the vital high-temperature thermal insulating materials due to their excellent mechanical property, high-temperature stability and thermal shock resistance. However, practical application of traditional ceramic fiber membranes in the field of thermal insulation are greatly limited by their high thermal conductivities at high-temperatures. In this work, SiZrOC nanofiber membranes with high infrared shielding performance were prepared by electrospinning technique. The SiZrOC nanofibers were composed of SiO2, ZrO2, SiOC, and free carbon phase with average diameter of (511±108) nm. The SiZrOC nanofiber membranes exhibited possess excellent high-temperature thermal insulation performance. Thermal conductivity of SiZrOC nanofiber membranes at 1000 ℃ reached 0.127 W·m–1·K–1, obviously lower than that of other traditional ceramic fibers. In addition, the as-prepared SiZrOC nanofiber membranes exhibited high strength, good flexibility and excellent high-temperature stability, so they had great potential for high-temperature thermal insulation. Therefore, preparation strategy of SiZrOC nanofiber membranes also provides a new route for designing other high-performance thermal insulators.

ceramic fiber; high-temperature thermal insulation; electrospinning; infrared shielding

1000-324X(2022)01-0093-08

10.15541/jim20210361

TQ343

A

2021-06-07;

2021-06-29;

2021-07-12

國防基礎(chǔ)科研計劃(XXXX2017550C001); 國家自然科學(xué)基金(52002400); 國防科技大學(xué)科研計劃(ZK17-02-02)

National Defense Basic Research Program (XXXX2017550C001); National Natural Science Foundation of China (52002400); Research Project of NUDT (ZK17-02-02)

張曉山(1991–), 男, 博士研究生. E-mail: zhangxiaoshan15@nudt.edu.cn

ZHANG Xiaoshan (1991–), male, PhD candidate. E-mail: zhangxiaoshan15@nudt.edu.cn

王應(yīng)德, 教授. E-mail: wangyingde@nudt.edu.cn; 王兵, 副研究員. E-mail: bingwang@nudt.edu.cn

WANG Yingde, professor. E-mail: wangyingde@nudt.edu.cn;

WANG Bing, associate professor. E-mail: bingwang@ nudt.edu.cn