中 国 陶 瓷
Ｖｏｌ．４２ Ｎｏ．１Ｊａｎ．２００６
第 ４２ 卷 第 １ 期２００６年 １ 月
１６ │中国陶瓷│ＣＨＩＮＡ ＣＥＲＡＭＩＣＳ│２００６（４２）第 １ 期
２．２六钛酸钾晶须
六钛酸钾晶须的化学式Ｋ２Ｏ?６ＴｉＯ２。六钛酸钾的晶体结构属三斜晶系，空间群为Ｃ２／ｍ，晶胞参数为
ａ＝１１．３７ ，ｂ＝３．８０ ，ｃ＝６．６２ ， β＝１００．１ｏ，单位格
子中的分子数为２。在六钛酸钾的晶体结构中，Ｔｉ的配位数为６，以ＴｉＯ６八面体通过共面和共棱连结而成连锁的隧道状结构，Ｋ＋离子居于隧道的中间，隧道轴与晶体轴平行［１０］，从六钛酸钾的晶体结构图中可以看出，Ｋ＋离子被隧道状结构包裹住，而与环境隔开，使Ｋ＋离子无法突破这些隧道状包裹层而具备化学惰性。也正因为Ｋ＋离子结构上的化学惰性，从而使六钛酸钾晶须具备有独特的隔热性能。
２．２．１优异的隔热性能六钛酸钾晶须的导热系数较小，室温下为０．０８９Ｗ／Ｍ?Ｋ，８００℃时则只有０．０１７Ｗ／Ｍ?Ｋ，即具有负的温度系数。与传统石棉隔热材料相比，六钛酸钾
文章编号：１００１－９６４２（２００６）０１－００１６－０３
研究与开发
【摘 要】：新型隔热材料的一个重要发展方向是具有高温低热导率的复合材料的研究和开发。重点对硅酸铝纤维、六钛酸钾晶须及气凝胶二氧化硅隔热材料的特点进行了综述，探讨了几种颇具前景的高效高温隔热材料。
【关键词】：低热导率，隔热材料，硅酸铝纤维，六钛酸钾晶须，气凝胶ＳｉＯ２
１ 引 言
隔热材料在航空航天、能源、化工和冶金等众多工业领域已被广泛应用，其重要发展动向是具有低热导率的复合功能隔热材料的研究和开发。传统耐火材料具有高温强度，但隔热性能欠佳，一般隔热材料具有优异的隔热性能，但缺乏高温强度。因此兼有优良隔热性能和高温强度复合功能的耐火隔热材料成为新的研究热点。其技术关键是在材料配方设计和工艺研究中如何协调和兼顾隔热性能和高温强度这两个相互制约的物性［１］。
为了获得具有较高强度和较低热导率的复合隔热材料，需要经过一些配方组成的试验，改变其材料的种类和组成，采用不同的粘合剂和添加量，探讨材料的配方，工艺参数与隔热效果间的关系，优选出材料的配方，确定复合隔热材料的结构组成［２］。本文主要讨论了目前常用的几种隔热材料的特点，并对高温低热导率复合隔热材料的研制提出了几个发展方向。
２ 各种隔热材料的特点
２．１硅酸铝纤维
硅酸铝耐火纤维作为高温绝热材料和耐火材料已经有很长的历史了。近年来，这种材料又作为隔热材料被用来制备新的薄层陶瓷纤维复合材料绝热层，并在航空航天领域获得了广泛的应用，尤其在要求质量轻和占用空间有限的绝热部位，这一材料得到了最有效的利用，达到了理想的热防护效果，从而愈来愈受到重视。以硅酸铝为基料的陶瓷纤维可以制成各种形式的制品，如纤维垫、纤维毡、纤维板、纤维纸、纤维绳和各类织物等［３］。
目前，许多国家都开展了对硅酸铝纤维的研制和应用工作，其中美国、前苏联、日本、和英国等处于领先地位，特别是美国开发出许多新品种，美国的金
刚砂公司（Ｃａｒｂｏｒｕｄｕｍ）已经制造出厚度达０．８ｍｍ的硅酸铝纤维纸，这种纤维纸具有质量轻、热导率小和耐火等特点［４］。在航空航天领域，硅酸铝纤维复合材料已用作火箭发动机部件的隔热层、点火装置内衬、氧气发生器的绝热层等。在军用和商用飞机上用于机翼前缘、端头帽烧蚀防护层、排气通道热防护层和飞机上各种仪器设备的防火保护层等［５，９］。
与其他绝热耐火材料相比，硅酸铝纤维具有很小的体积密度、比热容、热导率和特别好的耐温度急变性，使用温度大于１２００℃。若加入适量的氧化铝纤维，使用温度可以更高。硅酸铝纤维直径多为２～６微米，其表面光滑而无缺陷。硅酸铝纤维主要有以下四种类型：普通硅酸铝纤维、高纯硅酸铝纤维、含铬硅酸铝纤维、高铝纤维。硅酸铝纤维是Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２融物在聚冷条件下形成的玻璃体。其化学组成和物理性质见表１和表２。
高温低热导率隔热材料的研究现状及进展
张 娜，张玉军，田庭艳，刘 超
（山东大学材料科学与工程学院， 济南 ２５００６１）
收稿日期：２００５－０８－２９
作者简介：张 娜（１９８０－），女，硕士生。
。Ａ表１ 硅酸铝纤维的化学组成
。Ａ。Ａ表２ 硅酸铝纤维的物理性质
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中国陶瓷│ＣＨＩＮＡ ＣＥＲＡＭＩＣＳ│２００６（４２）第 １ 期│１７
晶须则具有下列显著特点：无毒无害，性能稳定；使用温度高，可达１０００℃；使用寿命长；无“灰化”现象产生，不产生污染环境等。对于传统石棉材料的替代品，不论是性能还是成本，六钛酸钾晶须应该说是比较理想的首选材料。利用六钛酸钾晶须的隔热性能，已经开发出与硅树脂复合的涂层［１１］。
２．２．２高的红外线反射性能和高温吸音性能实际上，六钛酸钾晶须的高红外线反射性能，也是六钛酸钾晶须作为隔热材料的一个重要原因之一。
２．３纳米孔硅质绝热材料
有文献报道处于静止状态的空气及大部分气体如二氧Ｃ０２、Ｎ２等的导热系数都很低，但是由于它们的对流性，以及对红外辐射的透明性，决定了它们无法单独用作绝热材料。为此，需要设计出一种结构来最大限度地限制它们的对流性能及透红外性能。这种结构一般需采用一些固体材料来帮助实现。但是，几乎所有的固体材料都具有比静止气体大的多的导热系数，因此在实现这种结构时应尽量少使用固体材料。设想将这些空隙的大小限定到纳米数量级，则气体的传导及对流将基本上得到控制，这类绝热材料的导热系数将低于静止的空气。
２０世纪４０年代，美国ＭＯＮＳＡＮＴＯ公司的ＳａｍｎｅｌＫｉｓｔｌｅｒ［１２］将纳米孔结构模型首先在硅气凝胶上变成现实。他通过保留ＳｉＯ２颗粒在其凝胶状态下的排列结构，成功制造了纳米孔型的硅气凝胶。这时的ＳｉＯ２链结构围成了无数不大于空气分子自由程的纳米空间，气体分子只能在其中与ＳｉＯ２的链壁做碰撞而不能向其它气体分子传递热量。因此其导热系数已低于静止空气。
气凝胶是一种结构可控的新型纳米多孔材料，具有粉末状和块状，其孔洞率高达８０．０％～９９．８％，比表面积高达８００～１０００ｍ２?ｇ－１，典型孔洞尺寸为１～１００ｎｍ，固态网络结构单元尺寸为１～２０ｎｍ。由于其纳米多孔网络结构使其具有极低的固态和气态热传导，添加红外遮光剂后可有效阻隔高温红外热辐射，其常温常压下的总热导率低达０．０１Ｗ?ｍ－１．Ｋ－１，是目前固体材料中热导率最低的一种材料［１３，１５］。气凝胶作为一种轻质高效的绝热材料在航空航天、化工、冶金及节能建筑等领域具有广泛的应用前景［１６，１７］。
３ 高温低热导率隔热材料的发展方向预测
匹配合适的多层复合隔热材料提高了原单一材料的隔热效果，使其导热系数降低，鉴于在军事及航空航天领域隔热材料的多功能化发展，导致了结构一隔热一体化的思想，而材料复合新技术的开拓，将为实现这种设想提供多种可能的途径［１８］。因此对高温低热导率隔热材料提出了以下几个发展方向：
３．１以硅酸铝纤维为基体，六钛酸钾晶须为添加剂的复合隔热材料的研制
隔热材料具有比重和导热系数小、抗烧蚀性能好等特点，所以选择合适的填料对材料的性能具有决定性的影响［１９］。通常情况下，硅酸铝纤维材料的导热系数是随使用温度的升高而增大的，使用温度较高时（高于８００℃），硅酸铝纤维材料孔隙中空气的导热和纤维表面之间的辐射传热均相应增强，使用温度越高，辐射传热所占的比例就越大。高温传热过程中，气相的辐射传热作用及其影响则显得尤为重要［２０］。
因而在高温下硅酸铝纤维制品有时达不到环境所要求的隔热性能，具有高温低热导率成为硅酸铝纤维制品一个有发展潜力的性能，六钛酸钾晶须能耐１２００℃高温，其红外反射率高，由于六钛酸钾晶须具有负的温度系数，即随着温度的升高，热导率呈降低的趋势，８００℃时则只有０．０１７Ｗ／Ｍ?Ｋ。可以充分利用六钛酸钾晶须的高温优良隔热性能，作为一种隔热添加剂用在硅酸率纤维制品的成型工艺中。
３．２利用气凝胶ＳｉＯ２的纳米微孔结构，六钛酸钾晶须的红外遮光性能
气凝胶ＳｉＯ２的最高使用温度高达１０００℃，红外光与可见光的湮灭系数之比可达１００以上，对光的折射率也接近于ｌ，因此，在常温下，硅气凝胶具有较好的透光性，对红外光有较好的遮蔽作用，具有明显的透明绝热材料特点（透光而不透热）。遗憾的是，气凝胶ＳｉＯ２对高温近红外热辐射具有较好的透明性，所以为了降低材料的辐射传热，有必要掺入合适的红外遮蔽剂，六钛酸钾晶须是一种优良的红外遮蔽剂，均匀掺和六钛酸钾晶须的硅气凝胶可以将红外辐射传热降低到很低的水平。
３．３研制纳米孔高温绝热材料—硅酸铝耐火纤维—气凝胶复合块体隔热材料
块状气凝胶ＳｉＯ２是通过溶胶－凝胶形成凝胶后经过超临界干燥而成，纳米孔高温绝热材料的主要技术途径是以硅酸铝耐火纤维作为骨架，具有纳米孔结构的气凝胶填满耐火纤维骨架之间的孔隙，目前该类材料及制品的缺乏是制约我国军用无机纤维制品的主要瓶颈。
参 考 文 献
［１］奚同庚，王圣妹，章宗德等． 高温隔热材料热物性的预测和
图１ 六钛酸钾晶须扫描照片
Ｆｉｇ．１ ＳＥＭ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ ｏｆ Ｋ２Ｔｉ６０１３ ｗｈｉｓｋｅｒｓ
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ＴＨＥ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ＡＮＤ ＴＨＥ ＳＴＡＴＵＳ ＯＦ ＳＴＵＤＹ ＯＦ ＨＥＡＴ ＩＮＳＵＬＡＴＩＯＮＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＬＯＷ ＴＨＥＲＭＡＬ－ＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ ＡＴ ＨＩＧＨ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ
ｚｈａｎｇ ｎａ，ｚｈａｎｇｙｕｊｕｎ，ｔｉａｎｔｉｎｇｙａｎ，ｌｉｕ ｃｈａｏ
（Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｊｉ’ｎａｎ ２５００６１）
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】：Ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｎｅｗ ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ
ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｔｈｅｒｍａｌ－ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ． Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｆｏｒ ａ１ｕｍｉｎａ－ ｓｉｌｉｃａｔｅｆｉｂｒｅ ａｎｄ Ｋ２Ｔｉ６Ｏ１３ ｗｈｉｓｋｅｒｓ ａｎｄ ＳｉＯ２ Ａｅｒｏｇｅｌ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｓｅｖｅｒａｌ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ ｇｒｅａｔ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ａｒｅ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ．
【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】：Ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｌｏｗ ｔｈｅｒｍａｌ－ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ａ１ｕｍｉｎａ－ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｆｉｂｒｅ， Ｋ２Ｔｉ６Ｏ１３ ｗｈｉｓｋｅｒｓ，ＳｉＯ２ Ａｅｒｏｇｅｌ
［１２］ＫｉｓｔｅｌｅｒＳ．Ｓ．，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ． １９３２，３６：５２
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Ａ ＳＵＭＭＡＲＹ ＯＦ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ‘Ｓ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ
ＦＯＲ ＣＥＲＡＭＩＣ ＴＩＬＥ ＡＮＤ ＢＲＩＣＫ
Ｗａｎｇ Ｗｅｎｌｉｎ１，Ｚｈｕ Ｆａｎ２，Ｚｈｕ Ｗｅｉｑｉｕ３
（１Ｔｈｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００４７；
２Ｋｅｄａ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． Ｏｆ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ， Ｆｏｓｈａｎ ５２８３１３；
３Ｔｈｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２７）
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】： Ｂｙ ｏｕｔｌｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ａｒｔｓ ｏｆ ｂｏｔｈ ｂａｓｉｃ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｃｅｒａｍｉｃｔｉｌｅ ｐｌａｎｔｓ ｉｎ ｃｈｉｎａ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ， Ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗｈｏｌｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ａ ｃｅｒａｍｉｃ ｔｉｌｅ ｐｌａｎｔ ｗｉｔｈｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ ｔｉｌｅ－ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｃｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ａｎｄ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｗｏｒｋｓ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｔ ｌａｓｔ．
【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】： Ｃｅｒａｍｉｃ ｔｉｌｅ， Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｅｔｈｅｒｎｅｔ， Ｆｉｅｌｄｂｕｓ
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