通过同轴静电纺丝技术制备中空氧化锆纤维膜，实现了高性能的隔热效果

《Journal of Alloys and Compounds》：High-performance thermal insulation achieved via coaxial electrospinning of hollow zirconia fibrous membranes

本研究通过同轴电纺法成功制备了具有空心结构的ZrO2陶瓷纤维，采用聚乙酰乙酸锆（PAZ）作为壳材料，石蜡为核材料。通过精确调控石蜡注入速率，实现了纤维直径0.85-1.29μm、壁厚均匀且空腔稳定的结构。制备的纤维在室温下热导率低至0.0289 W·m?1·K?1，拉伸强度达0.71±0.11 MPa，10mm堆叠可显著降低表面温度（1000°C降至230°C），兼具优异热绝缘性能与机械稳定性，为高温工业提供了新型轻质绝热材料。

　　近年来，随着现代科技的迅猛发展，对高性能热绝缘材料的需求日益增长，尤其是在航空航天、冶金、建筑和能源等高温工业领域。这些材料不仅需要具备轻质特性，还必须在极端条件下实现优异的热绝缘性能和良好的机械强度。在众多热绝缘材料中，空心陶瓷纤维因其独特的结构优势而受到广泛关注。它们通过减少热传导路径、限制气体流动以及优化辐射热传输等方式，有效降低了整体的热传导能力，同时保持了结构的稳定性。这使得空心陶瓷纤维成为高温环境下理想的选择。

本研究成功采用共轴静电纺丝技术合成空心氧化锆（ZrO?）纤维，实现了机械强度与热绝缘性能之间的良好平衡。实验中，聚乙酰乙酸锌（PAZ）被选为壳层材料，而石蜡则作为芯层。通过精确控制石蜡的注入速率，研究人员获得了具有致密壳层、均匀形态和稳定空腔的空心ZrO?纤维。这些纤维在常温下表现出优异的热绝缘性能（热导率为0.0289 W·m?1·K?1），并且具备良好的机械性能（拉伸强度为0.71 ± 0.11 MPa）。在实际测试中，由这些纤维制成的10 mm厚膜能够将表面温度从1000 °C降至230 °C，充分展示了其出色的热绝缘效果。

与传统的气凝胶材料相比，空心陶瓷纤维在热绝缘性能上同样表现出色，但其重量更轻、结构更稳定，且成本相对可控。气凝胶虽然在热导率方面具有显著优势，但在高温环境下的机械性能和结构稳定性却存在一定的局限性。相比之下，陶瓷纤维作为一维材料，具有更高的化学稳定性和机械强度，使其在高温应用中更具优势。其中，氧化锆纤维因其熔点高、热导率低以及卓越的结构稳定性，成为航空航天、冶金和能源等领域的重要材料。

在研究过程中，空心陶瓷纤维的制备方法主要包括模板法和共轴静电纺丝法。模板法具有操作简便、产量高、成本低等优点，但受限于天然模板的结构，往往导致纤维直径较大，从而增加了内部缺陷，如裂纹，这严重影响了其机械性能。此外，较大的纤维直径也会扩大纤维之间的间隙，限制了对热传导的控制能力。因此，减少纤维直径不仅有助于降低内部缺陷，还能增强材料的机械性能和热绝缘效果。

共轴静电纺丝技术是一种特殊的静电纺丝方法，通过同时从共轴针头的内外层喷射不同的溶液，可以实现空心纤维的制备。该技术具有两个显著优势。首先，它能够通过调整工艺参数，如注入速率比、溶液浓度和电场强度，实现对纤维结构特征的精确控制，包括纤维直径和壁厚。其次，共轴静电纺丝技术能够制备出具有高长径比和均匀成分的细纤维，从而有效减少缺陷，提高机械性能。这些优势使得共轴静电纺丝技术成为制备先进空心纤维材料的一种极具潜力的方法。

本研究采用共轴静电纺丝技术成功制备了具有优异热绝缘性能和机械性能的空心ZrO?纤维。通过控制石蜡芯层的注入速率，研究人员能够精确调节空心结构，从而系统优化热绝缘和机械性能。实验结果表明，空心纤维膜在热导率方面比传统材料降低了10%，同时在机械性能上也表现出良好的稳定性。这些特性使得空心ZrO?纤维在实际热绝缘应用中具有广泛前景。

为了进一步验证空心结构对热绝缘性能的影响，研究团队对空心ZrO?纤维的形态、成分和形成机制进行了详细分析。结果表明，空心结构能够有效减少热传导路径，限制气体流动，并优化辐射热传输过程，从而显著降低整体热导率。同时，空心结构对机械性能的影响较小，纤维仍然保持了良好的柔韧性。这种结构设计不仅提升了材料的热绝缘性能，还确保了其在高温环境下的机械稳定性。

在材料合成过程中，PAZ的制备遵循了已有文献的方法，而石蜡、聚乙烯氧化物（PEO）和氧化钇（YN）则分别从不同的供应商处获得。所有化学试剂均未经额外纯化直接使用，确保了实验的准确性。通过将PAZ、YN和PEO溶解在特定溶剂中，研究人员制备了壳层溶液，而石蜡则作为芯层材料。这种配比不仅优化了纤维的热绝缘性能，还确保了其在高温下的结构稳定性。

实验结果表明，通过调整石蜡的注入速率，研究人员能够获得不同形态的空心ZrO?纤维。这些纤维的直径范围在0.85至1.29 μm之间，而壁厚则保持在较为均匀的水平。这种精确的结构控制不仅提高了纤维的热绝缘性能，还增强了其机械强度。同时，实验还发现，空心结构能够有效限制内部气体流动，减少对热传导的贡献，从而进一步提升材料的热绝缘能力。

此外，空心ZrO?纤维在实际应用中表现出良好的热稳定性。在高温环境下，其结构能够保持完整，不会因热膨胀而发生明显的形变。这使得空心ZrO?纤维在高温工业领域具有广泛的应用潜力。例如，在航空航天领域，这些纤维可以用于高温部件的热防护，而在冶金和能源领域，它们可以作为高温环境下的热绝缘材料，有效降低热损失，提高能源利用效率。

为了进一步探讨空心ZrO?纤维的性能，研究团队还进行了详细的热力学分析。实验发现，随着石蜡注入速率的增加，纤维的热导率显著降低，同时其机械性能保持良好。这种结果表明，空心结构能够有效优化材料的性能，使其在热绝缘和机械强度之间达到最佳平衡。此外，实验还发现，空心结构能够促进热辐射过程中的多次反射和吸收，从而进一步降低热传导效率。

综上所述，本研究通过共轴静电纺丝技术成功制备了具有优异热绝缘性能和机械性能的空心ZrO?纤维。这些纤维不仅在常温下表现出良好的热绝缘能力，而且在高温环境下也能够保持结构的完整性。通过精确控制石蜡的注入速率，研究人员实现了对空心结构的系统优化，从而提升了材料的综合性能。这一研究成果不仅为高性能热绝缘材料的制备提供了新的思路，也为相关技术的发展奠定了坚实的基础。