高温工业是国家经济的支柱，但它们也是最大的能源消耗者之一。[1],[2],[3]。工业窑炉表面的大量热量散失是能源损失的主要来源，因为内衬材料的隔热效率直接决定了整体能源消耗和碳排放。因此，开发和应用高性能隔热材料对于降低表面温度、减少热量损失和提高热效率至关重要。[4],[5],[6],[7]。
目前，隔热材料通常使用煅烧高岭土和粘土等原料制成，这些原料被压制成多孔陶瓷[8]。泡沫陶瓷使用氧化铝粉作为原料，以铝酸钙水泥和α-烯烃磺酸钠作为粘结剂和发泡剂[9]。另一种方法是使用莫来石纤维作为原料，以ρ-Al2O3和二氧化硅微粉作为胶凝剂和粘结剂，采用凝胶铸造法制备莫来石纤维基多孔陶瓷[10],[11]。尽管这些传统材料因其良好的性能而被广泛使用，但它们严重依赖高质量的矿产资源，导致大量资源消耗。
目前用于隔热的多孔陶瓷主要由煅烧高岭土和粘土等传统原料制成，通过单轴压制成型[8]。周等人使用氧化铝粉作为主要成分，分别用铝酸钙水泥和α-烯烃磺酸钠作为粘结剂和发泡剂制备了泡沫陶瓷[9]。Pountouenchi等人通过凝胶铸造法制备了莫来石纤维基多孔陶瓷，以莫来石纤维为基质，ρ-Al2O3和二氧化硅微粉作为胶凝剂和粘结剂[10],[11]。虽然这些材料表现出良好的性能并在实际应用中得到广泛应用，但其制备过程仍然高度依赖高等级矿产资源。
磷石膏（PG）是磷酸生产的副产品，每生产一吨高浓度磷酸大约会产生4.5到5吨PG[12],[13]。在中国，每年的PG排放量约为8000万吨，而全球产量高达60亿吨；然而，其综合利用率仍低于25%[14],[15]。此外，煤矸石（CG）是煤炭开采产生的常见固体废弃物，占中国工业固体废弃物总量的约25%。目前，中国积累的煤矸石库存已达到70亿吨，每年增加量约为2亿到3亿吨[16],[17],[18]。由于PG和CG的产量巨大而消耗有限，大量未使用的PG不得不被堆放。这不仅占用宝贵的土地资源，还对地下水和周围环境构成严重威胁[19],[20],[21]。鉴于资源日益稀缺和环境压力不断增加，利用固体废弃物作为制备多孔隔热陶瓷的替代原料已成为该领域的重要研究方向。尽管许多研究证明了更广泛利用固体废弃物的可行性[22],[23],[24]，但回收像PG和CG这样成分复杂、杂质含量高的特定类型废弃物仍面临巨大挑战。一方面，原料中的有机杂质和K、Na、Fe等元素在高温下容易挥发或形成低共晶体，这不仅会干扰结晶过程，还会导致分解气体迅速释放，产生过多的内部应力，从而破坏材料的结构完整性和机械强度。此外，化学成分的波动使得对烧结时间、加热速率和成型压力等工艺参数的控制变得复杂，难以精确调节。大多数现有研究仅关注优化材料配方或单独考察工艺参数的影响，未能系统揭示多个参数之间的协同作用及其对最终性能的综合影响[25],[26],[27],[28]。传统的基于经验试错方法的优化方法不仅耗时且成本高昂，而且往往无法实现一致的可重复最佳性能。因此，迫切需要一种能够系统解耦多变量相互作用并准确预测工艺结果的方法。
响应面方法（RSM）是一种强大的统计建模和优化技术，用于阐明影响因素与响应变量之间的关系，从而帮助确定最佳工艺参数。该方法已被有效应用于多变量复杂系统的优化挑战中。例如，贾奇·徐等人采用Box-Behnken设计研究了不同添加剂含量对硅铝复合材料性能的影响，随后建立了可靠的数学模型进行验证[29]。类似地，Ehsan Keramat等人通过调整烧结温度、氧化铝粒径、润滑剂含量和共晶相比例等变量，优化了材料的最大断裂强度和密度[30]。
本研究使用PG和CG作为原料制备了多孔隔热陶瓷。将起始材料按预定比例混合，并在3、5、7和9 MPa的成型压力下压制成型。随后在1200°C的温度下以1、3和5°C/分钟的加热速率进行烧结。通过结合D-Optimal实验设计和响应面方法（RSM），系统研究了三个关键工艺参数（烧结时间、加热速率和成型压力）及其相互作用对材料性能的影响机制。这种方法有助于确定优化制备条件，从而提高陶瓷的整体性能。
这种方法旨在确定最佳加工条件，同时提高材料的性能，并为制备高性能多孔隔热陶瓷提供了新的途径。
