納米纖維隔熱材料：在航空航天領(lǐng)域大有可為！

　　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(chǎn)生高溫，為了保證飛行器的主體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部儀器設(shè)備的安全，須使用高效隔熱材料阻止外部熱流向內(nèi)部擴散。同時，輕質(zhì)高效的隔熱防護系統(tǒng)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(yōu)點，是一種理想的輕質(zhì)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(fā)動機等狹小空間需要厚度較小但隔熱性能優(yōu)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(yōu)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(wǎng)孔通道，從而使空氣分子在材料內(nèi)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(shù)。為了進一步降低材料的導熱系數(shù)，有學者通過浸漬改性技術(shù)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(huán)境中結(jié)構(gòu)易被破壞，難以滿足應(yīng)用需求。

　　碳納米纖維具有比表面積大、孔隙率高、化學穩(wěn)定性好、比強度高等優(yōu)點，在電子、能源、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)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(yōu)點，在高溫隔熱、吸音、催化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而，現(xiàn)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(diào)整紡絲溶液性能及工藝參數(shù)，制備了具有無定形結(jié)構(gòu)、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(gòu)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(xiàn)有效增加(>1 cm)，這嚴重限制了其在大功率發(fā)動機隔熱、艙壁防火隔熱等領(lǐng)域的應(yīng)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(yōu)點，因而在隔熱、保暖、吸音等領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)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(yōu)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(xiàn)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(jié)構(gòu)穩(wěn)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(gòu)筑基元，利用原創(chuàng)的三維纖維網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方法，構(gòu)筑了超輕質(zhì)、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(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，每個網(wǎng)孔中纖維相互纏結(jié)黏結(jié)，形成穩(wěn)定的纖維網(wǎng)絡(luò)，賦予了氣凝膠良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。其在大形變(80%應(yīng)變)壓縮下仍能快速回彈，經(jīng)500次壓縮循環(huán)后其塑性形變僅為12%，優(yōu)于現(xiàn)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(xiàn)出了優(yōu)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(xiàn)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(gòu)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(fā)生破壞，同時其在大形變(80%)下壓縮后仍能回復且最大應(yīng)力大于200 kPa。此外，纖維素納米晶還展現(xiàn)出了優(yōu)異的隔熱性能。