氧化锆纤维具有耐高温、抗氧化、高强度、高韧性、轻量化等特性,作为关键战略材料,是航空航天、军事国防及现代化先进工业等热防护系统中不可或缺的热防护材料。然而,由于较强的化学键,氧化锆脆性较大。同时,在高温下晶粒的快速长大导致多晶态纤维及其制品整体收缩变形、脆化折断、强度降低,严重制约了其在热防护领域以及航空航天等众多尖端科技领域的应用。因此,如何调整其微结构和优化制备工艺,抑制氧化锆多晶纤维在高温下晶粒粗化,在更宽温域内提高单纤维的力学性能,这是氧化锆纤维材料高温应用的关键。根据不同的使用温度和使用环境,氧化锆纤维应用形式繁多,按其材料应用形态分类,包括由纳米或亚微米纤维组成的纤维集合体类轻质隔热材料及可作为刚性复合材料的增强体等,例如,纳米纤维膜、三维纤维海绵和一维连续纤维。由纤维堆积组成的高孔隙率纤维集合体具有较强吸湿性,影响其存储和隔热稳定性。其次,单层纤维膜厚度有限,实现高效隔热需多层叠加,但其层间无关联性,不具备整体承载能力。此外,连续纤维的制备方法比纳米和亚微米纤维的制备更具挑战性,制备高强度的连续纤维极为困难。本论文针对氧化锆纤维及其在应用过程存在的问题,通过纤维微结构的调控和材料多尺度结构设计,开展氧化锆纤维细晶化、疏水性的构建和纤维集合体多维度构筑工作,成功制备了多种形态的高强韧性氧化锆纤维材料;并对其强韧化机制、构效关系以及多领域应用进行探索研究。本文主要的研究内容总结如下:一、氧化锆纤维非晶-纳米晶双相结构调控与强韧化机理研究单纤维在高温下力学性能的稳固是纤维高温应用的前提。将高损伤容限的无定形氧化硅引入多晶氧化锆纤维中,获得具有小尺寸的多晶氧化锆镶嵌在连续非晶基体的致密氧化锆/氧化硅（YSZ/SiO2）纤维,其在高温下兼具强度与柔性,使其总体使役温度提升至少200℃。经过1300℃热处理后,YSZ/SiO2纤维还具有弯曲、折叠、编织、拉伸等高强度和柔性行为。通过研究不同氧化硅含量对纤维形貌、组成、结构、结晶行为等的影响,探究无定形氧化硅对氧化锆多晶纤维的强韧化作用机理。氧化硅含量的高低对纤维力学性能和耐温性的影响不同,可依据使用温度、应用形式和应用领域选择不同氧化硅含量,以实现材料最佳的力学性能、热稳定性与耐温性。二、高温柔性氧化锆纤维膜的制备与多功能应用研究在纤维微观结构调控的基础上,进一步调控纤维宏观排列取向性,以提升YSZ/SiO2纤维膜的力学性能。其在1300℃热处理后拉伸强度达4.0±0.7MPa、应变为5.3±1.1%,实现高温柔性和高强度并存。通过对纤维膜耐高温疏水性的构建,成功获得了具有高疏水耐温性（450℃）、耐静水压（9kPa）、高孔隙率（89%）、低密度（40mg·cm-3）、低导热系数（30 mW·m-1K-1）和高近红外反射率（～90%）等特性的疏水性YSZ/SiO2纤维膜（H-ZSNFMs）。该膜在高温和高湿水环境下表现出卓越的热稳定性和良好的隔热性能,仅10 mm厚的纤维膜可将1360℃的热源降低至380℃,即使在350℃的水蒸汽环境下也具有完整疏水性。此外,H-ZSNFMs可作为柔性防护装备应用于高温高湿极端环境并具有比商业材料更优的热防护性能;同时在油水分离领域中具有广泛应用前景,可按需分离多类油污染物,且具有高吸附容量和快速分离特性。三、高温弹性纤维海绵的制备与隔热性能研究针对纤维膜厚度局限性和堆叠分层的问题,进行三维方向纤维排布结构调控,成功获得具有形状可控、密度可调、结构稳定的纤维海绵,实现力学和隔热性能的同时提升。YSZ/SiO2纤维海绵（ZSF海绵）在-196～1500℃的宽温度范围内展现出优异的力学性能,包括柔韧性、高弹性、形变恢复能力、抗屈曲形变以及高承载能力和抗疲劳性等。ZSF海绵经1300℃处理后,其压缩可恢复应变高达95%、应力为166kPa,可承受自身重量的19500倍。在50%应变下进行1000次循环压缩,其塑性形变仅为2%,压缩强度可保留80%。在1000℃下,其导热系数为106 mW·m-1K-1,具有优异的隔热性能,最高工作温度可达1500℃。此外,纤维海绵的自组装机制、热定型工艺对海绵微观结构的重组原理以及多层稳固纤维结构对力学性能的影响和隔热性能的提升等方面进行了阐述,并对YSZ/SiO2纤维海绵的高温烟气过滤性能进行了研究与评价。四、双相结构高温强韧性氧化锆连续纤维的制备与性能研究在上述双相结构与纳米纤维性能关系研究的基础上,利用干法纺丝技术成功制备了高强度韧性YSZ/SiO2连续纤维。通过调控氧化硅含量,系统分析了氧化硅对连续纤维微观结构的演变过程,建立了氧化硅含量-纤维微观结构-力学性能之间的关联关系,研究了纤维中硅锆分布与相互作用并分析其强韧化机制。连续纤维实现经过1500℃热处理后,仍保持良好的连续性、长度可达数米、可缠绕、可成卷,其平均拉伸强度可达2.4 GPa,与YSZ连续纤维相比,其高温拉伸强度实现了数量级的提升。