以石英纤维为主要成分的陶瓷纤维隔热瓦，最早作为美国航天飞机大面积热防护材料，长时使用温度为1 200 ℃[1-2]；后续发展出FRCI、AETB、BRI等系列隔热瓦，在X-43A、X-37B、X-51A等高超声速飞行器上得到应用[3-4]。从“十一五”开始，我国也开始了陶瓷隔热瓦的研制，经过大量工艺试验和技术攻关，在隔热瓦性能提升和质量控制方面取得了突破性的进展，在隔热瓦的力学性能、稳定性控制、复合气凝胶、涂层制备、重复使用性以及缺陷修补等多个方面开展了广泛的研究[5-10]。
新型飞行器的结构减重可以提高使用效益并降低运输费用，是未来航天技术发展的必然趋势。采用陶瓷隔热瓦进行飞行器外部隔热，其使用面积可占整个飞行器外表面的60%~70%[11]，因此降低隔热瓦的密度对飞行器整体减重意义重大，具有重要的研究价值。目前，文献中报道的工作多集中在密度大于0.30 g/cm3的隔热瓦[6, 8-9, 12]，隔热瓦轻量化方面的研究相对较少。针对这一迫切需求，本文一方面不改变隔热瓦的组分和基本工艺参数，仅通过改变致密化程度得到较低密度（0.25~0.30 g/cm3）的隔热瓦，研究其微观结构、热导率、力学性能和高温隔热效果的变化规律；另一方面，改变烧结温度或引入短纤维，分析参数改变对隔热瓦热导率和力学性能的影响。
1 实验 1.1 原料短切石英纤维，Φ3~10 μm，湖北菲利华石英玻璃股份有限公司；莫来石纤维棉，Φ5~10 μm，摩根热陶瓷（上海）有限公司；去离子水，自制。
1.2 仪器设备Apollo 300扫描电子显微镜（CamScan Company，USA）；EKO常温热导率测试仪（型号HC-074-304，北京五州东方科技发展有限公司）；CMT 5205电子万能试验机（美斯特工业系统有限公司）。
1.3 样品制备 1.3.1 组分和工艺参数不变陶瓷隔热瓦的现有制备工艺的主要步骤包括：将一定比例的短切石英纤维、莫来石纤维棉和烧结助剂加入水中，搅拌均匀后配制成浆料溶液，将其倒入模具进行抽滤成型；将湿毛坯在100~120 ℃烘干后，在1 200~1 400 ℃热处理1~3 h得到陶瓷隔热瓦。
采用上述隔热瓦现有的制备工艺，在不改变隔热瓦组分和基本工艺参数的情况下，通过在烧结过程中改变致密化程度，制备了三种较低密度的隔热瓦，密度分别为0.30、0.28和0.25 g/cm3。
1.3.2 改变烧结温度设计4种烧结温度：T0（现有制备工艺的烧结温度）、T0-30 ℃、T0+30 ℃和T0+60 ℃。研究了这4种烧结温度对现有典型密度的隔热瓦（ρ=0.33 g/cm3）的微观结构、热导率和力学性能的影响。通过对比分析后，选取T0+60 ℃烧结ρ=0.25 g/cm3的低密度隔热瓦，分析其隔热、力学性能的变化。
1.3.3 引入短纤维在隔热瓦中引入长度较短的短切石英纤维（长度0.5 mm），设计5种长纤维（长度6 mm）与短纤维的比例，分别为长纤维:短纤维=10:0、7:3、5:5、3:7和0:10（质量分数）。制备的毛坯尺寸为200 mm×200 mm。制备过程中发现，随着短纤维增多，烘干后毛坯的高度逐渐降低，即毛坯烘干后的收缩率增大；另外，烧结变得困难，这可能因为短纤维增加引起纤维之间搭接点增多，而烧结助剂的含量并没有增加，从而使烧结变得困难。
1.4 性能表征采用扫描电子显微镜（SEM）观察样品的微观结构；采用常温热导率测试仪，按GB/T 10295—2008测试室温热导率；参考Q/Dq360.3—2000和GB/T 1452—2005测试压缩强度和拉伸强度，试样尺寸30 mm×30 mm×20 mm；按YB/T 4130—2005测试样品的高温热导率，热面温度为200~1 200 ℃；通过石英灯背温试验评价样品的高温隔热效果，热面温度1 200 ℃，加热总时长为30 min，试样尺寸150 mm×150 mm×20 mm；按GB/T 4653—1984 《红外辐射涂料通用技术条件》，测试室温辐射系数，试样尺寸Φ30 mm×2 mm。
2 结果及分析 2.1 组分和工艺参数不变三种较低密度（0.30、0.28和0.25 g/cm3）隔热瓦的微观结构见图 1。可看出，随着密度降低，隔热瓦的气孔率逐渐增大；但是三种隔热瓦中纤维分散都较均匀，并能够在纤维搭接处形成较好的粘结，纤维晶粒大小和粘结处状态类似。这主要因为三种隔热瓦的材料组分和基本工艺参数保持不变，因此它们的微观结构没有明显差别。
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| 图 1 三种较低密度隔热瓦的SEM照片 Figure 1 SEM images of three lower-density samples |
这三种较低密度隔热瓦的室温热导率和力学性能变化趋势见图 2。随着密度从0.3下降到0.28、0.25 g/cm3，样品的室温热导率从52减小为50和46 mW/（m·K），这主要因为纤维含量减少导致纤维的固相传导减少，而辐射传导、对流、气相导热的变化很少，所以总的结果表现为室温热导率降低。同时，样品的压缩、拉伸强度也随着下降，压缩强度从1.6下降到1.0和0.6 MPa，拉伸强度从0.7下降到0.5和0.4 MPa，这主要因为单位面积上的纤维数目随着密度减小而减少，所以承载的力随之减小[12-13]。另外，当密度变化范围较小时，室温热导率和力学性能随密度近似呈线性变化，这与文献[13]中报道的多孔隔热材料（包括纤维型多孔隔热材料）的变化规律一致。因此，在研制低密度隔热瓦时，要根据热导率与力学性能随密度的变化趋势，选取隔热、力学综合性能均满足需求的密度范围。
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| 图 2 三种较低密度的隔热瓦的室温热导率和力学性能 Figure 2 Thermal conductivities and mechanical properties of three lower-density samples at room temperature |
选取两种较低密度的隔热瓦，测试高温热导率（表 1）。结果表明，在测试温度范围内，较高密度隔热瓦的热导率略大于较低密度的隔热瓦。这主要因为温度较低时，固相传导是热传导的主要因素，密度较高的隔热瓦中的纤维含量较多，因此其固相传导大于密度较低的隔热瓦[14]。
| 热面温度/℃ | 热导率/mW·(m·K)-1 | |
| ρ=0.28 g/cm3 | ρ=0.25 g/cm3 | |
| 200 | 55 | 51 |
| 400 | 66 | 62 |
| 600 | 78 | 74 |
| 800 | 93 | 90 |
| 1000 | 113 | 109 |
| 1200 | 141 | 137 |
通过石英灯背温测试来评价三种较低密度隔热瓦的高温隔热效果，如图 3所示。结果表明：（1）三种密度的隔热瓦的背温曲线变化趋势基本一致，这与三种隔热瓦的材料组分一致有关；（2）密度0.30、0.28和0.25 g/cm3样品的背面温度分别为771、785和786 ℃，即随着密度降低背温略有增加。
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| 图 3 三种较低密度的隔热瓦的背温试验结果 Figure 3 Back-temperature tests for three lower-density samples |
可见，虽然密度较低的隔热瓦室温热导率较低，但是高温隔热效果并没有优于密度较高的隔热瓦。这主要因为随着温度升高，三种传热方式（对流、传导和辐射）中辐射传热所占比例逐渐增加[15]，密度较低的隔热瓦气孔率较大从而辐射传热增加，因此高温隔热效果下降。
根据上述背温结果，用Ansys软件的有限元方法建立一维瞬态传热模型，模拟出不同密度隔热瓦的热导率（表 2）。可见，较低密度隔热瓦的高温热导率较高，这与背温中其高温隔热效果较差的结果一致。
| 测试温度/℃ | 热导率/mW·(m·K)-1 | ||
| ρ=0.30 g/cm3 | ρ=0.28 g/cm3 | ρ=0.25 g/cm3 | |
| 100 | 55 | 54 | 55 |
| 300 | 72 | 75 | 87 |
| 500 | 84 | 96 | 118 |
| 700 | 101 | 116 | 138 |
| 900 | 117 | 130 | 152 |
| 1100 | 133 | 145 | 163 |
| 1200 | 142 | 150 | 167 |
上文研究结果表明，在材料组分和基本工艺参数不变的情况下，隔热瓦密度降低会引起室温热导率减小，但同时力学性能下降，高温隔热效果也有所降低。由于新型飞行器的轻质化不仅要求热防护材料减重，同时由于飞行器振动和局部承载等需求，对隔热瓦的力学性能也提出较高要求。因此需要通过进一步优化材料组分、结构以及制备工艺，来满足隔热瓦低密度高强度的需求。
2.2.1 烧结温度的影响图 4是4种温度烧结的隔热瓦的微观结构。可以看出，随着烧结温度升高，纤维之间的粘结有所增多，同时莫来石纤维的晶粒有所长大。
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| 图 4 不同烧结温度的隔热瓦的SEM照片 Figure 4 SEM images of samples at different sintered temperatures |
4种烧结温度隔热瓦的室温热导率和力学性能见表 3。结果表明：（1）烧结温度降低或升高30℃，对样品的室温热导率影响很小，但是温度升高60℃使热导率略有增加，从54增加为57 mW/（m·K）（增加约6%）；（2）烧结温度降低30℃，拉伸性能强度无明显变化，但是烧结温度升高30℃和60℃时，压缩强度和拉伸强度都逐渐增加，其中拉伸强度增加较为显著。一般认为，烧结温度升高会引起纤维晶粒长大、晶界减少，从而由晶界引起的散射减少[16]，以及材料结晶度提高或者非晶态物质向晶态转变，会引起声子平均自由程增加，这些都是热导率随烧结温度增加的可能因素[14]。另外，升高烧结温度，一方面会引起纤维晶粒长大、析晶从而导致力学性能降低[16]，另一方面也会增强纤维之间的粘结效果从而提高力学性能。由于表 3中隔热瓦的力学性能提高，可以认为后者对力学性能起了主要的作用。
| 烧结温度/℃ | 室温热导率/mW·(m·K)-1 | 压缩强度/MPa | 拉伸强度/MPa |
| T0 | 54 | 2.0 | 0.8 |
| T0-30 | 54 | 1.9 | 0.8 |
| T0+30 | 56 | 2.2 | 1.0 |
| T0+60 | 57 | 2.4 | 1.3 |
通过上述对比分析，采用T0+60 ℃烧结ρ=0.25 g/cm3的低密度隔热瓦，样品的压缩强度为1.0 MPa，拉伸强度0.8 MPa，热导率55 mW/（m·K）；与烧结温度为T0的同密度隔热瓦相比（图 2），压缩强度提高67%，拉伸强度增加为原有值的2倍，热导率增加20%。这说明适当升高烧结温度有利于提高力学性能（尤其是拉伸强度），同时热导率也会有所增加。因此，要根据应用需求，考虑隔热瓦的隔热与力学综合性能，选择最佳的烧结温度。
2.2.2 长、短纤维比例的影响5种比例的样品微观结构见图 5。可以看出，5种样品的纤维分散都较为均匀；虽然短纤维含量不断增加，但电镜照片中长、短纤维的区别不明显，这可能因为多数长纤维在搅拌过程中已经被切短。不同长、短纤维比例的隔热瓦的热导率和力学性能见表 4。结果表明：（1）短纤维比例 < 70%时，样品的热导率和压缩强度都没有明显差别；（2）短纤维比例≥ 70%时，样品的压缩强度增大，热导率略有增加，但增加幅度都不明显。分析认为，压缩强度增大是因为短纤维增加引起承力单元增加，而热导率略有增加是因为纤维搭接点增加引起固相热导率增加。
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| 图 5 不同长、短纤维比例的隔热瓦SEM照片 Figure 5 SEM images of samples with different ratios of long fibers to short fibers |
| 长纤维:短纤维 | 样品密度/g·cm-3 | 热导率/mW·(m·K)-1 | 压缩强度/MPa |
| 10:0 | 0.28 | 47 | 0.7 |
| 7:3 | 0.27 | 46 | 0.7 |
| 5:5 | 0.28 | 47 | 0.7 |
| 3:7 | 0.29 | 49 | 0.8 |
| 0:10 | 0.29 | 51 | 1.0 |
（1）不改变陶瓷隔热瓦的配比和基本工艺参数，仅改变致密化程度得到了较低密度（0.25~0.30 g/cm3）的隔热瓦，其室温热导率和力学性能随密度近似呈线性变化，密度0.25 g/cm3的隔热瓦的热导率减小为46 mW/（m·K），压缩强度下降为0.6 MPa。背温试验表明，尽管较低密度隔热瓦的室温热导率较低，但高温隔热效果略差，这主要因为气孔率增加导致辐射传热增加。因此，在研制低密度隔热瓦时，要根据热导率与力学性能随密度的变化趋势，选取隔热、力学综合性能均满足需求的密度范围。
（2）烧结温度升高60 ℃，隔热瓦的拉伸强度从0.8提高到1.3 MPa，压缩强度从2.0提高到2.4 MPa，热导率从54增加到57 mW/（m·K），说明这是提高低密度隔热瓦力学性能的有效途径。
（3）引入不同比例的短纤维，并没有引起隔热瓦热导率和力学性能的明显改变。
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