氧化锆（ZrO₂）和氧化钛（TiO₂）由于其优异的性能目前已应用在化工、隔热、航空航天、催化和冶金等领域,是两种非常重要的材料。其中ZrO₂晶体纤维是最先进的耐高温隔热用晶体纤维材料,相比于氧化铝、莫来石、石英等氧化物纤维和碳、碳化硅、氮化硼等非氧化物纤维,其具有理论上更高的熔点、更低的导热系数、更低的饱和蒸汽压、抗氧化和更耐酸碱腐蚀等优异的物理化学特性,是一种优异的保温、保冷材料。本课题组从1998年开始对ZrO₂纤维的研制,经过二十年的刻苦攻关,已突破多项制备技术难题,成功实现ZrO₂纤维的研制和产业化。所研发的ZrO₂纤维已广泛用于航天器隔热瓦、耐高温晶体炉等高温隔热领域,同时所研制的ZrO₂纤维纸可作为间隔材料应用在超低温液体存储的高真空多层绝热领域。而金红石型TiO₂由于介电常数比较高,遮盖力和着色力也较高,对光的反射和散射能力较强,在红外热反射型材料领域备受欢迎,已广泛应用在建筑保温,汽车玻璃等隔热领域。同时TiO₂纤维也可作为隔热纤维应用在隔热领域,如可用作高温下气凝胶的红外遮光剂以及应用在超低温液体的存储领域。然而,在研究过程中,我们发现隔热性能有待提高,我们从热传递的基本物理过程出发分析,影响热传递方式有三种:分别是热传导、对流、热辐射。而ZrO₂和TiO₂纤维在高温以及在真空环境应用下起热传递的方式主要为红外热辐射。如何有效阻隔红外热辐射,成为继续提高ZrO₂、TiO₂纤维隔热性能的关键问题。因此,本论文以提高ZrO₂、TiO₂纤维的抗红外热辐射能力为最终目的,从影响红外热辐射性能的物理机理出发,从表面反射结构、物质的本征电子结构对红外反射的影响方面,探讨了提高ZrO₂纤维抗红外热辐射性能的可能性;并根据晶格取向对红外反射的影响制备了结构有序化的TiO₂纤维和薄膜,得到的主要结果如下;一、ZrO₂纤维上构建高折率增反膜由于纤维隔热材料低密度,且材料本身对热辐射电磁波具有高透性、低反射的特点,从而大大提高了辐射热导率。通过在纤维上构建增反膜来提高纤维的反射率,发现高折率薄膜能够提高纤维的抗热辐射性。（1）在ZrO₂纤维上通过溶胶-凝胶提拉法制备TiO₂薄膜,以及在ZrO₂纤维上利用一步水热法构建纳米TiO₂、CeO₂薄膜。通过XRD、EDS、SEM表征了薄膜的微观形貌和结构,表明高反射薄膜能够均匀地涂覆在纤维表面,并且水热法制备的薄膜均匀性更好。此外水热法制备的薄膜的厚度可通过改变水热温度和时间来调控,制备的TiO₂、CeO₂薄膜的晶粒尺寸分别为9 nm和18 nm左右。（2）对水热法制备的TiO₂、CeO₂薄膜进行力学稳定性和热稳定性进行测试,结果表明薄膜的力学稳定性和热学稳定性较好,高温下薄膜依然稳定存在,未出现开裂等现象。（3）利用DRS、FTIR等手段测试了水热法制备的薄膜热辐射性能,表明在可见-近红外波段,纤维表面的薄膜能够起到增反膜的作用,有效提高了纤维的反射率。在中红外波段（2.5～10μm）由于薄膜能够增加对红外线的反射和散射能力,使得纤维样品的红外透过率降低,能够减少辐射传热。通过计算纤维样品的有效消光系数,可得TiO₂,CeO₂薄膜在常温和高温下都能够提高纤维的抗辐射性能。并且在1000℃,Ti02薄膜能提高纤维平均有效消光系数70%;而在1200℃,CeO₂薄膜能提高其平均有效消光系数77%。利用溶胶-凝胶法制备的TiO₂薄膜在800℃能够有效降低纤维表观热导率68%。二、CYSZ（CeO₂-Y2O3-ZrO₂）纤维的制备以及热辐射性能研究材料的红外反射特性能够受到电子结构影响,电导率越高,其反射率越高。为了提高ZrO₂纤维的电导率,我们通过掺杂变价Ce离子来获得更高的氧离子传导性和低电导活化能,提高了材料的电导率,从而提高纤维的抗热辐射性。（1）以聚乙酰丙酮合锆（PAZ）,Ce（NO3）·6H2O和Y（NO3）3·6H2O采用溶胶凝胶结合离心甩丝法制备不同Ce掺杂浓度（0,5,10,20mol%）的YSZ（Y2O3-ZrO₂）纤维。从XRD、Raman图谱测得,当Ce掺杂进去后,形成ZrO₂基固溶体,并且随着Ce掺杂浓度的升高,晶格参数变大,产生畸变,有形成立方相的趋势。通过对不同Ce掺杂浓度的纤维进行XPS测试,发现当Ce掺杂后Ce3+和Ce4+共存于体系中,并且随着掺杂Ce含量的增加会诱导较多的氧空位产生。（2）Ce的引入显著提高了了纤维的力学强度。Ce的掺杂能够形成更多的氧空位,从而会阻碍晶界的移动,抑制了晶粒长大,导致颗粒细化,提高了纤维力学强度;但当Ce掺杂量为20%时,由于NO3-离子的自蔓延烧热,导致纤维中出现大量气孔,降低了纤维的力学强度。（3）Ce的引入能够降低热辐射线的传递以及热导率。Ce掺杂产生的氧空位会使纤维具有更高的氧离子传导性和低电导活化能,提高了材料的电导率,增加了红外线的反射能力,使得纤维的红外透过率降低。此外掺杂Ce导致的晶格畸变以及晶粒细化,所产生的声子-边界散射和声子-空位散射效应使得声子传热降低,提高材料隔热效果。三、有序化结构TiO₂纤维、薄膜的生长及其机制探索对于材料来说,其晶体结构较完整即晶格取向一致,晶界,杂质和缺陷的浓度较小,则对红外光的吸收也就越弱,总的反射就会增强。为获得高取向、晶体结构较完整的TiO₂材料,制备了结构有序化的层状TiO₂纤维和薄膜,在结构转变过程中,结构由无序结构向有序结构转变,并对转变过程以及转变机制进行了分析和探索。（1）有序化结构TiO₂纤维的制备及其有序化结构转变。通过聚醋酸合钛（PET）制备前驱体纤维,利用SEM、TEM表征经过500 ℃和1550 ℃热处理后的微观结构。发现经1550 ℃热处理后获得了结构有序化的TiO₂纤维。由500 ℃时随机取向的纳米晶组成的纤维转变为晶格取向一致的TiO₂纤维,并且纤维横截面为平行于纤维轴向的层状结构。（2）逐级塌方以及纳米晶基元生长机制的提出。对纤维中间温度结构变化进行了分析,观察到了台阶的产生,而这些台阶不是由螺旋位错产生的,我们由此提出了一种逐级塌方以及纳米晶基元生长机制。纤维由颗粒组成,而小颗粒由纳米晶组成,纳米晶具有高比表面能,高活性。纳米晶受热变软导致塌方,形成一系列台阶。在台阶延伸过程中,纳米晶有序重排来减少比表面能,面与面的结合是最稳定的结合方式,同时伴随着扭结和台阶的出现,纳米晶优先在这些位置上排列。台阶的延伸和纳米晶重排改善了取向结构,最终获得了局部区域晶格取向一致的层状纤维。（3）有序化结构TiO₂薄膜的生长及其逐级塌方机制的验证。利用旋涂法和高压水蒸汽法结合获得了趋于单晶的TiO₂薄膜,在有序化结构的转变过程中,也观察到台阶的产生,由于塌方形成的台阶的延伸和台阶延伸过程中纳米晶的有序重排,最终形成了层状TiO₂有序结构薄膜。表明薄膜的结构有序化转变依然可以用逐级塌方以及纳米晶生长基元机制来解释。在ZrO₂薄膜和BaZrO3薄膜的结构转变过程中,也观察到了经逐级塌方形成的台阶,同时ZrO₂薄膜在1600 ℃转化为取向分布一致的层状结构,这表明发现的逐级塌方以及纳米晶生长基元机制依然可以适用于其他薄膜。