纖維多孔陶瓷的研究進展

羅 萌，向 陽，彭志航，曹 峰

(國防科技大學 空天科學學院 新型陶瓷纖維及其復合材料重點實驗室，長沙 410073)

飛行器的熱防護系統保障了飛行安全，是研究人員研究的重點。飛行器機身和機翼等背風區熱防護部位氣動加熱溫度低于1100 ℃，且高溫區域分布面積大，因而輕質且高效隔熱是大面積熱防護系統的基礎要求。

纖維多孔陶瓷由隨機分布的陶瓷纖維搭接構成鳥巢狀骨架，纖維搭接處通過黏結劑將纖維約束形成剛性結構。纖維多孔陶瓷最早用于美國“哥倫比亞號”航天飛機高溫防隔熱材料[1]。LI系列為美國第一代陶瓷隔熱瓦，密度僅0.141 g/cm3，孔隙率高達98%[2]，具有優良的輻射散熱、隔熱、抗沖刷和保持氣動外形的能力，此后陶瓷瓦一直作為美國航天飛機最主要的熱防護材料之一，并發展出三代不同體系的陶瓷瓦，應用面積占航天飛機總熱防護面積的68%[3]。但纖維多孔陶瓷在保持低密度、低熱導率的同時，力學性能較差，影響其使用可靠性。LI-900系列陶瓷瓦厚度方向壓縮強度僅0.192 MPa，第二代FRCI-12[4]系列陶瓷瓦厚度方向熱導率為0.0161 W·m-1·K-1，抗壓強度為0.928 MPa。為了提高纖維多孔陶瓷的力學性能，研究人員通過對原材料優化、制備方法改善、內部結構設計以及結構建模仿真等方面進行研究，獲得了熱導率低、強度較高的纖維多孔陶瓷，使其在熱防護、熱氣過濾等領域都取得了一定進展。

本文從纖維多孔陶瓷的纖維骨架、黏結劑、制備方法等方面對其研究進展進行總結概述，探討纖維多孔陶瓷微觀形貌的調控、界面優化與涂層制備、力學破壞和演化機制，對纖維多孔陶瓷的發展現狀以及未來發展方向進行展望。

1 材料組成對纖維多孔陶瓷的影響

1.1 纖維

纖維是纖維多孔陶瓷的主要組成部分，其主要決定材料的力學性能和熱學性能。目前使用較多的纖維種類包括石英纖維、莫來石纖維、氧化鋁纖維以及其他纖維。

1.1.1 石英纖維

石英纖維是由高純度SiO2(≥99.9%)組成，化學穩定性高、抗燒蝕性強、耐溫性好、導熱率低，具有較高的機械強度和優異的介電性能，直徑一般為3～5 μm[5]，因而被廣泛應用于制備耐溫透波熱防護材料。

石英纖維作為纖維多孔陶瓷最早應用于美國哥倫比亞號航天飛機的大面積熱防護系統。LI-900纖維隔熱瓦由純石英纖維制備，后續FRCI系列以及X-43高超聲速飛行器所用熱防護結構主要成分也均為石英纖維[6]。但石英纖維在高溫下會發生析晶行為導致強度迅速下降，在900 ℃下強度保留率僅有20%，限制了其在熱防護領域的應用[7]。為了改善石英纖維多孔陶瓷使用性能，研究人員通過加入其他纖維以提高材料的使用溫度及力學性能。美國第三代HTP系列陶瓷瓦，含有21%(質量分數，下同)氧化鋁纖維，材料的使用溫度高于1427 ℃，強度較LI系列提高了2倍[8]。孫晶晶等[9]以短切石英纖維和莫來石連續纖維為骨架制備了輕質高效隔熱陶瓷瓦，發現改變纖維比例和提高燒結溫度會影響陶瓷瓦熱導率并增強材料的力學性能，當燒結溫度升高60 ℃后，材料的壓縮強度由2.0 MPa提高到2.4 MPa，熱導率由0.054 W·m-1·K-1增加至0.057 W·m-1·K-1。此外，石英纖維具有優異的介電性能，可以與其他纖維混合使用，制備耐溫透波隔熱一體化材料。

1.1.2 莫來石纖維

莫來石纖維晶體結構穩定、熔點高、熱膨脹系數低、介電常數低、抗熱震性能優異，最高使用溫度為1500 ℃，是新型的超輕質高溫耐火纖維[10]，被廣泛應用于纖維多孔陶瓷的制備。

表1列出了莫來石纖維制備纖維基多孔材料的相關性能參數[11-27]。對比發現以莫來石纖維為骨架制備纖維多孔陶瓷時，當改變材料的制備工藝、黏結劑在纖維漿料中質量比、纖維長徑比等參數時，材料的強度和熱導率將隨之變化。圖1為莫來石纖維多孔材料熱導率與壓縮強度分布示意圖，可以看出，絕大多數的莫來石纖維多孔陶瓷材料熱導率<0.1 W·m-1·K-1，同時材料的壓縮強度在1 MPa左右。當材料熱導率較低時，樣品孔隙率高，固相含量低，強度也較低，材料的壓縮強度與熱導率呈線性正相關關系，含有氣凝膠的材料則具有更低的熱導率和強度。

表1 莫來石纖維多孔陶瓷性能參數

圖1 莫來石纖維多孔陶瓷熱導率與壓縮強度分布圖[11-15,17,21-22,26]

1.1.3 氧化鋁纖維

氧化鋁纖維主要成分為氧化鋁，具有優異的耐高溫性能、抗蠕變性能和抗氧化性能，且高溫力學性能保留率較高，長期使用溫度可達1400 ℃，是高溫熱防護領域具有潛力的纖維[28]。

氧化鋁纖維可在較高溫度長期使用，將其與其他耐溫性較差的纖維混合使用可有效提高材料的耐溫性能。美國第二代陶瓷隔熱瓦AETB系列和第三代HTP系列均通過添加氧化鋁纖維提高材料的使用溫度。AETB系列添加了20%的氧化鋁纖維，隔熱瓦熱導率為0.064 W·m-1·K-1，最高使用溫度達1597 ℃[29]。HTP系列含21%的氧化鋁纖維，另添加氮化硼(BN)和碳化硅(SiC)粉末作為燒結助劑，最終制備得到的材料的密度為0.192 g/cm3，尺寸穩定性高[8]。

單一使用氧化鋁纖維作為骨架，也可得到熱導率較低(0.20～0.27 W·m-1·K-1)、抗壓強度相對較高(0.56～1.54 MPa)的纖維多孔陶瓷[30]。Hu等[31]使用氧化鋁纖維制備多孔材料，通過調整纖維長度來改變材料網絡結構以改善材料性能，最終獲得材料的比強度為3.860 N·m/kg。目前使用氧化鋁纖維制備纖維多孔陶瓷研究還較少，氧化鋁纖維優異的耐高溫和抗氧化性能使其在纖維多孔陶瓷制備應用中具有廣闊的前景。

1.1.4 其他纖維

除上述三種纖維外，研究人員還使用其他種類纖維制備了纖維多孔陶瓷，如YSZ纖維、SiOC纖維、氧化鋯纖維等。Dong等[32]結合熔鹽法與凝膠澆筑法，以K2SO4為燒結助劑制備了YSZ纖維多孔陶瓷，經過1600 ℃燒結后材料孔隙率為88.5%，熱導率僅0.02 W·m-1·K-1，壓縮強度為0.45 MPa，超輕質且熱導率低。此外還有學者制備了SiOC纖維多孔陶瓷，在經過1000 ℃燒結后，得到低密度(0.046～0.128 g/cm3)、超低熱導率(0.0302～0.0440 W·m-1·K-1)、強度相對較高(0.018～0.167 MPa)的纖維多孔陶瓷[33]。余煜璽等[34]使用玻璃纖維為骨架，通過在纖維骨架內浸漬SiO2氣凝膠制備了纖維復合氣凝膠材料，該材料密度較低，且具有疏水特性和熱穩定性，抗壓強度為0.05 MPa。

納米纖維直徑在1～100 nm之間，內部缺陷少，因而具有較高的強度。使用納米纖維作為骨架時，材料內部孔隙尺寸降低，孔壁和纖維搭接點增加，材料在更低密度下具有更高的強度。圖2為不同莫來石多孔纖維材料孔隙尺寸分布[23]，普通纖維多孔陶瓷孔徑尺寸基本為100 μm，納米纖維多孔材料孔尺寸在10 μm左右。納米莫來石短纖維多孔陶瓷性能最優，密度為0.202 g/cm3、壓縮強度為0.837 MPa、熱導率為0.1001 W·m-1·K-1，相較于傳統纖維多孔陶瓷密度更低，強度提高40%左右[23]。

圖2 不同莫來石纖維多孔材料孔隙尺寸分布[23]

纖維種類對纖維多孔陶瓷熱導率影響較小，而通過改變纖維直徑和長度、添加氣凝膠可以有效降低熱導率，并提高材料的力學性能，因而纖維多孔陶瓷性能改善應該趨向于改善制備工藝，優化力學性能，根據不同的使用目的和服役環境選擇合適的纖維種類。

1.2 黏結劑

纖維多孔陶瓷以纖維作為骨架，黏結劑在纖維搭接點將纖維粘接固定。黏結劑的黏度、耐溫穩定性以及其在纖維中的分布、含量決定了纖維多孔陶瓷的密度、熱導率以及力學性能等。無機黏結劑耐高溫性能優異、黏接強度高、固化收縮率低、價格低廉、使用方便，廣泛應用于纖維多孔陶瓷制備[35]。目前常用于纖維多孔陶瓷制備的黏結劑包括硅溶膠、鋁溶膠、磷酸鹽等。

1.2.1 硅溶膠

硅溶膠是二氧化硅納米顆粒分散于水中或有機溶劑中的膠體溶液，膠體顆粒經過水解縮聚后形成三維網狀結構的凝膠組織，干燥燒結后形成耐高溫、結合強度高的黏接點，具有化學均勻性好、純度高、原料廉價、反應活性高、高耐火絕熱性等優點，廣泛應用于制備多孔陶瓷。

硅溶膠在纖維漿料中的添加量對纖維多孔陶瓷的性能有較大影響。隨著黏結劑含量增加，材料的熱導率和強度均顯著增加[18,30,36]。但固相含量增加導致材料中固相傳熱加劇，樣品的熱導率升高。此外，硅溶膠中膠體顆粒比表面積也會對材料的黏結有影響。Liden等[36]使用真空浸漬成型技術研究了不同比表面積硅溶膠纖維多孔陶瓷性能的影響，當硅溶膠的比表面積較小(80 m2/g)時，硅溶膠留存率最高，黏接點裂紋極少，但綜合評估絮凝效果和材料強度，比表面積居中時(220 m2/g)整體效果更好。

硅溶膠作為高溫黏結劑價格低廉、黏接效果好，具有較廣的溫度適用范圍，可以通過調節固含量，添加燒結助劑、填料或催化劑等方式改善材料性能。然而由于游離的SiO2存在將會導致黏結劑在1600 ℃下產生液相，限制了其在更高溫度下應用。

1.2.2 鋁溶膠

鋁溶膠是氫氧化鋁與三氧化二鋁之間的水解產物，是無機高分子聚合物，含有多個價態，由水合氧化鋁(Al2O3.nH2O)和膠溶劑組成。鋁溶膠穩定性較高、純度高、耐高溫性能優異，黏接強度高，是優異的高溫黏結劑，可用于多孔陶瓷制備[37]。鋁溶膠黏度較高，在材料內部留存率較高，容易覆蓋于纖維表面和纖維搭接點處，因而材料密度、熱導率和壓縮強度都高于硅溶膠制備的纖維多孔陶瓷。

通過改變鋁溶膠含量和燒結溫度等工藝條件可以改善纖維多孔陶瓷的力學性能。Liu等[38-39]以氧化鋁溶膠為高溫黏結劑制備了莫來石多孔陶瓷(非纖維多孔陶瓷)，通過調整鋁溶膠固含量優化材料的微觀結構和性能，研究發現鋁溶膠固相含量為8%時，樣品熱導率為0.151 W·m-1·K-1，強度達到35.3 MPa。Singh等[40]發現通過對鋁溶膠膠體顆粒大小分布進行調控，獲得高強度、高純度且耐溫性優異的氧化鋁黏結劑，用于優化纖維多孔陶瓷的物理性能和力學性能。

鋁溶膠耐溫性較硅溶膠更加優異，其應用于纖維多孔陶瓷時，具有較大的應用潛力。但鋁溶膠在纖維多孔陶瓷的應用研究還較少，浸漬特性和高溫穩定性等還有待進一步研究。

1.2.3 磷酸鹽

磷酸鹽黏結劑具有良好的介電性能，可以在低溫下固化，且密度低、高溫下熱變形小、黏接強度高，可應用于纖維多孔陶瓷的制備[41]。

磷酸鹽黏結劑中磷酸會在高溫下與莫來石纖維發生化學反應，形成化學鍵合，強化黏結劑與纖維之間的界面結合強度，因而磷酸鹽黏結劑制備的纖維多孔陶瓷在1000 ℃燒結后強度普遍高于硅溶膠制備的纖維多孔陶瓷[42]。董學[43]采用SiO2-AlPO4作為黏結劑制備莫來石纖維多孔陶瓷，發現熱處理溫度會影響纖維與黏結劑界面結合強度進而影響材料的力學性能，當燒結溫度從1000 ℃提高至1500 ℃，試樣的密度增加，熱導率略有升高，而壓縮強度受界面結合強度影響從1.05 MPa增加至2.38 MPa。

1.2.4 其他黏結劑

除上述三種常用的黏結劑外，還有部分物質通過與纖維發生化學反應形成高熔點相，實現纖維間粘接。碳化硅(SiC)粉末作為無機黏結劑時，碳化硅粉末在高溫下被氧化形成氧化硅，與氧化鋁纖維反應后生成莫來石相作為黏結劑，熔點較高的莫來石相避免了高溫下黏結劑熔融導致材料性能降低[44]。而六方氮化硼(BN)用作黏結劑，高溫下被氧化成低熔點的氧化硼，熔融氧化硼與硅溶膠和石英纖維中硅元素反應生成硅硼玻璃，在纖維搭接處形成黏接點對纖維形成約束[37]，實現纖維黏結。

2 制備工藝對纖維多孔陶瓷的影響

目前常用于制備多孔材料的方法包括真空浸漬擠壓成型、冷凍干燥法、凝膠澆注法等。

2.1 真空浸漬法

真空浸漬法制備纖維多孔陶瓷時，先將短切纖維浸泡于含有分散劑和黏結劑的漿料中，攪拌均勻后將漿料倒入模具，通過真空抽濾或模壓獲得生坯，干燥燒結后得到纖維多孔陶瓷，具體過程如圖3所示[11]。

圖3 真空浸漬擠壓成型示意圖[11]

真空浸漬制備纖維多孔材料時，浸漬次數、浸漬時間、燒結溫度以及模壓壓力等都會影響材料的形貌和性能。浸漬次數和浸漬時間增加使得材料內部黏結劑含量增加，根據Rice公式[45]，樣品壓縮強度與孔隙體積分數之間存在以下關系：

E=E0e-bp

(1)

式中：E0為無孔隙率時材料壓縮強度；b為粒子形狀參數；p為孔隙體積分數。可以看出當孔隙體積分數增加，材料壓縮強度隨之下降。Yang等[18]使用真空浸漬法制備了莫來石纖維多孔材料，發現隨浸漬時間增加材料內黏結劑含量增加，材料的密度從0.45 g/cm3升高至0.66 g/cm3，壓縮強度由0.62 MPa升高至2.34 MPa，熱導率則由0.037 W·m-1·K-1增加至0.125 W·m-1·K-1。

燒結溫度升高，強化了黏結劑與纖維之間界面強度，黏結劑在高溫下熔融流動，形成連續相，提高了材料的力學性能[46]。此外，溫度升高還會導致ZrO2黏結劑晶型轉變產生體積變化，引起微小裂紋釋放殘余應力，改善材料力學性能[13]。

真空浸漬法操作簡單方便，制得樣品固相含量低、孔隙率高、密度低，但在干燥過程，漿料中固相物質在毛細管作用以及擴散效應下容易遷移至材料表面，形成硬質外殼，材料內部黏結劑含量低，嚴重影響了材料的力學性能。而在制備過程中，通過添加淀粉、環氧丙烷[47]、聚硅氧烷[48]等低溫輔助黏結劑可以改善高溫黏結劑分布均勻性，提高力學性能。此外還可以使用燒結助劑改善材料性能。Tomlinson等[49]使用石英纖維和鋁硅酸鹽纖維作為骨架，添加K2O作為燒結助劑，K2O促進了石英纖維和鋁硅酸鹽纖維的莫來石化，提高材料的使用溫度以及高溫力學性能。Hou等[50]利用Y2O3相促進氧化鋁和氧化硅黏結劑反應生成耐高溫玻璃相，降低了材料燒結溫度，促進黏結劑致密化，熔融玻璃相沿纖維流動覆蓋在纖維表面，材料壓縮強度有較大程度的提升。

2.2 冷凍干燥法

冷凍干燥法是指將纖維與分散劑、黏結劑混合均勻后倒入模具中，在低溫條件下使漿料中液相迅速凝結為固體，而后通過減壓或真空干燥除去水分，得到具有纖維骨架與孔隙結構的坯體，燒結后得到纖維多孔陶瓷，制備過程如圖4所示[19]。

圖4 冷凍干燥法制備過程示意圖[19]

冷凍干燥法制備纖維多孔陶瓷時，纖維排布、冷卻溫度和漿料黏度均會對復合材料結構和性能產生影響。如圖5所示，當冷凍溫度為-196 ℃時，液態水的晶粒生長具有較強的方向性，而黏結劑和纖維隨著液態水生長被擠出原有位置，沿冰晶優勢取向排布，黏結劑對纖維約束減少，導致材料的壓縮強度降低[51]。

圖5 冷凍干燥法溫度與內部組織形貌[51]

根據Petch[52]，Kou等[53]實驗，纖維多孔陶瓷垂直于纖維排列方向的模量和強度更高，而材料的各向異性會延緩破壞速度從而提高材料延展性[54]。真空抽濾法制備的纖維多孔陶瓷中纖維趨向于平行XY平面分布，形成層狀結構，在承受載荷時，易發生逐層破壞。冷凍干燥法制備的纖維多孔陶瓷，纖維在各個方向均有取向，3D隨機取向更加顯著，材料力學穩定性更好，厚度方向的熱收縮率也更低。馬曉暉[20]使用冷凍干燥法制備得到纖維多孔陶瓷，根據冷凍溫度不同，纖維取向和黏結劑分布受到不同程度的影響，在-20 ℃時擇優生長傾向較小，纖維排布傾向三維網絡結構，密度更低，強度更高，熱導率為0.051 W·m-1·K-1，抗壓強度為2.27 MPa。

冷凍干燥法制備傳統多孔陶瓷時孔洞分布均勻，通過控制冰晶生長來調控材料內孔徑和形狀，可以制得力學性能較高的樣品，但纖維多孔陶瓷孔隙由纖維搭接形成，孔徑尺寸大，冷凍干燥法優勢并不突出，且制備成本高昂，制備過程較為復雜，限制了其應用。

2.3 凝膠澆注法

凝膠澆注法制備纖維多孔陶瓷材料時先將短切陶瓷纖維與溶膠混合均勻，調節溶膠pH值，使其發生凝膠反應，在凝膠化前將混合均勻的漿料倒入模具瀝去多余液相，隨后等待殘余液凝膠后干燥燒結，得到纖維多孔陶瓷。凝膠澆注法利用溶膠凝膠后形成網狀結構將膠體粒子固定在原位，避免了膠體粒子在干燥過程中隨水分蒸發擴散在材料上下表面聚集，提高材料力學性能。

凝膠澆注法可以通過調整黏結劑含量、纖維含量和材料的微觀形貌優化材料的性能。而以三維碳纖維隔熱瓦為增強體的DMC3材料使用溶膠凝膠法及樹脂傳遞模塑工藝(RTM)制備了輕質防隔熱一體化材料，在石英燈輻射加熱測試中表現出優異的防隔熱特性[15]。Hou等[15]發現通過凝膠澆注法制備纖維多孔陶瓷時，發現隨莫來石纖維含量增加，纖維搭接點個數上升，材料的抗壓強度提升，線收縮率降低。Zhang等[17]使用凝膠澆注法制備了莫來石纖維多孔陶瓷，結果發現纖維長度增加有利于孔隙率提高，降低材料熱導率。除此之外，溶膠黏度也將影響纖維多孔材料的性能。硅溶膠黏度低，可快速從樣品生坯中排出，材料內部黏結劑含量較低；鋁溶膠黏度較高，在材料內部留存較多，因而材料的強度和熱導率較高。

凝膠澆注法與冷凍干燥法制備原理較為相似，但制備過程簡單，省去了超低溫定向干燥的程序，同時還可避免干燥過程中黏結劑擴散導致分布不均勻問題，適用于較大尺寸纖維多孔陶瓷的制備。

3 其他因素對纖維多孔陶瓷的影響

纖維多孔陶瓷經過近年來發展，基于其材料強度較低，黏結劑在燒結過程中由于毛細現象蒸發遷移，黏結劑高溫下開裂，形成界面反應等問題，研究人員提出了一些解決方法。

3.1 多尺度微納結構設計與調控

纖維多孔陶瓷由隨機分布的短切纖維和位于纖維搭接點的高溫黏結劑構成，固相含量較低，為了提高多孔材料的強度，降低材料熱導率，在原有微米尺寸的孔洞中進行了多尺度的結構設計與調控。

在纖維多孔陶瓷中，有效熱導率主要來源于固相傳熱、氣相熱導和高溫熱輻射，而纖維多孔陶瓷固相含量低，材料孔隙率一般高于80%，孔徑尺寸較大(≈100 μm)，較大的孔徑加劇了氣相傳熱，因而對原微米級的孔結構進行調控，通過降低氣相熱導可以有效降低材料熱導率。根據納米傳熱效應[55-56]，將具有納米級孔隙的氣凝膠與纖維多孔陶瓷進行復合后，氣凝膠可以填充纖維骨架中大孔隙，有效降低材料熱導率。根據Rice公式[45]，纖維多孔陶瓷與氣凝膠復合后，固相增加，孔隙率降低，強度隨之升高，而氣凝膠具有超低密度與超低熱導率[57]，因而可以獲得低熱導率、高強度多孔材料。單純石英纖維多孔材料熱導率為0.043～0.065 W·m-1·K-1，隨著材料密度增加，熱導率也略有上升[58]。向石英纖維中添加其他纖維后，材料的密度基本保持不變，但由于其他種類纖維強度和熱導率高于石英纖維，材料熱導率將有所增加，材料的壓縮強度也隨之提高。當向材料中浸漬氣凝膠后，材料的熱導率較其他兩類多孔材料的熱導率在同等密度條件下出現大幅度的降低[59]。王衍飛等[60]制備了氣凝膠改性石英纖維剛性陶瓷瓦，孔隙率達到92%，抗彎強度為0.585 MPa，熱導率較石英纖維多孔材料降低了30%。

除氣凝膠外，在纖維骨架上以原位自生的方式引入細小的晶須也可改善材料性能。針狀晶須通過纖維間釘扎效應強化纖維間的內部自鎖結構，提高材料的穩定性。但材料內部熱傳導通路和界面有效熱阻增加，材料的熱導率將稍有增加。Yi等[61]制備了硅酸鋁纖維/莫來石晶須/SiO2氣凝膠三級結構，晶須強化纖維和氣凝膠界面，氣凝膠有效降低材料熱導率，多級結構設計實現了低熱導率(0.0373 W·m-1·K-1)及高強度(2.33 MPa)。Deogekar等[62]向骨架中引入了二級結構硼酸鋁晶須和氧化鋁片制備出含多級莫來石纖維多孔陶瓷，其密度低(0.452～0.468 g/cm3)、氣孔率高(81.1%～83.3%)、熱導率低(0.132～0.152 W·m-1·K-1)，有效提高陶瓷的低應力敏感性。

3.2 涂層與界面優化

纖維多孔陶瓷的壓縮過程表明，材料的破壞由纖維斷裂、黏結劑/纖維界面開裂及黏結劑的破壞主導，因而纖維/纖維、纖維/黏結劑的界面結合強度對材料的力學性能有較大的影響。纖維表面涂層可以改善纖維與黏結劑界面，在高溫下保護纖維，強化纖維高溫力學性能。Andrei等[63]在納米石英纖維表面分別制備了Al2O3，MgAl2O4納米陶瓷層。陶瓷層在高溫下轉化為玻璃態，包裹在石英纖維表面，阻礙納米石英纖維高溫熔融流動，降低材料的高溫收縮率，大幅度提升材料強度。

除了在纖維表面制備涂層，還可以在材料表面制備高反射率涂層降低材料輻射強度。Wang等[64]在纖維多孔陶瓷表面制備了厚度可控的酚醛樹脂涂層，發現隨著涂層厚度增加，石英纖維多孔陶瓷材料的抗壓強度從1.7 MPa增至2.61 MPa，室溫熱導率由0.051 W·m-1·K-1增加至0.055 W·m-1·K-1，材料表面抗沖擊性顯著提高，材料的環境適應性得到改善。Guo等[65-66]在莫來石纖維多孔材料表面制備了MoSi2-SiC-Al2O3-SiO2涂層，研究發現隨煅燒溫度增加，涂層與多孔材料間界面結合強度高，但當燒結溫度增加至1200 ℃時涂層由非晶相轉化為晶相，進而導致強度下降。孫宇雷[67]在Al2O3-SiO2纖維多孔陶瓷表面制備了硅硼玻璃涂層，通過有限元模擬對涂層的熱應力和厚度進行優化調整，分析涂層在高溫下相變過程，對涂層配比進行改善，有效提高了涂層與基體的熱膨脹系數匹配度，此外，材料的抗熱震性能也有所提升。

3.3 計算機仿真模擬

纖維多孔陶瓷相較于連續纖維增強陶瓷材料和陶瓷顆粒制備的多孔陶瓷有著截然不同的微觀形貌，纖維斷裂、黏結劑/纖維界面開裂及黏結劑破壞共同決定了纖維多孔陶瓷壓縮破壞[43]，因而對纖維多孔陶瓷微觀組織和破壞模式進行研究，建立結構與材料性能之間的關系對材料性能優化具有指導意義。研究人員通過實驗與數據模擬結合，將纖維多孔陶瓷內部纖維簡化為等效梁單元、非線性彈簧單元等，建立不同的纖維接觸機制，分析其破壞過程中內部纖維和纖維搭接點受力情況，指導其性能改善，增強材料使用可靠性。

通過模擬隨機分布纖維網絡結構發現，亂序分布的纖維之間相互交聯，運動學約束較多，限制了纖維在應變下重新定向，使得材料應變剛度低，泊松效應較小[68]。龍柯材[69]將壓縮、剪切實驗與3D隨機脆性纖維網絡材料的有限元模擬對比分析，發現在低溫下纖維多孔材料壓縮破壞主要以纖維漸進式損壞為主導，模擬結果顯示纖維斷裂失效占總失效單元87%，而失穩失效僅占8.5%。而纖維斷裂主要由最大正應力引起，纖維失效首先在層內擴散，隨之擴展至臨近層失效直至材料整體失效，這種逐層失效使得材料承載時有彈性變形階段和壓實階段。在高溫下由于纖維和黏結劑出現黏性流動，應力應變曲線由彈性變形階段與應力上升段組成，表現為整體壓縮變形[70-72]，由Z向壓縮形變引起的纖維間接觸對力學性能的影響僅在材料明顯硬化時出現[73]。

此外，當將纖維間連接視為等效梁單元研究材料受剪切過程發現，纖維間的柔性結合可以提高材料能量吸收能力，當黏接點強度更高時，材料性能更好[74]。

4 結束語

隨著飛行器技術的發展，飛行器熱防護系統朝著多功能集成一體化、低成本與高效能化發展。纖維多孔陶瓷的超輕質和超低熱導率特點使其在熱防護領域具有巨大的應用潛力。近年來的研究對纖維多孔陶瓷的結構調控和性能優化取得較大進展。但纖維多孔材料仍存在一些問題：

(1)如何協調材料熱導率和力學強度的矛盾關系，以提升材料的綜合性能。陶瓷纖維多孔材料熱導率較低，力學性能較差，在最低程度損傷材料絕熱性能的同時改善材料的力學性能，提高其使用溫度和性能穩定性仍需要進一步研究。

(2)纖維多孔陶瓷材料的使用溫度上限受制于陶瓷纖維種類和黏結劑，如何通過引入涂層材料，使材料的防熱由單一被動式防熱轉變為輻射主動加被動的復合型熱防護材料，提高材料的服役溫度上限以及溫度穩定性。