【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】航空航天飛行器的熱防護系統(tǒng)服役工況極為嚴(yán)苛，不僅要求隔熱材料具有優(yōu)異的超高溫隔熱能力，還需具備高的損傷容限以應(yīng)對外界復(fù)雜的熱-力載荷。碳?xì)饽z具有低密度、低熱導(dǎo)率、高比表面積和出色的高溫?zé)岱€(wěn)定性等特點，是一種極具潛力的多功能熱防護材料。但是，碳?xì)饽z獨特的微結(jié)構(gòu)，如固有高孔隙率以及珠鏈狀碳顆粒搭接結(jié)構(gòu)，致使其本征脆性大、力學(xué)強度低以及大尺寸構(gòu)件成型困難，嚴(yán)重限制了其工程化應(yīng)用。
近年來，中國科學(xué)院金屬研究所熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料團隊致力于碳?xì)饽z強韌性、抗氧化及大尺寸成型研究，取得了系列重要進展。團隊相繼發(fā)展了溶膠凝膠-水相常壓干燥(J. Mater. Sci. Technol. 2020)和高壓輔助相分離-常壓干燥(Carbon 2021)碳?xì)饽z制備新技術(shù)，通過有機凝膠網(wǎng)絡(luò)的均勻生長以及大接觸頸的生成，實現(xiàn)了氣凝膠骨架本征強度的大幅提升。為了實現(xiàn)有機氣凝膠和增強體制備過程中的協(xié)同收縮，創(chuàng)新性地設(shè)計并發(fā)展出有機酚醛纖維增強酚醛氣凝膠基體，大幅降低了干燥和炭化過程的殘余應(yīng)力，實現(xiàn)了大尺寸、無裂紋碳?xì)饽z的制備(ACS Nano 2022)。同時，針對碳?xì)饽z易氧化的問題，發(fā)展了限域選擇性陶瓷化涂層制備新技術(shù)(Adv. Funct. Mater. 2022，Compos. Part B 2023)和陶瓷前驅(qū)體基體改性新方法(J. Mater. Sci. Technol. 2025)，顯著提升了碳?xì)饽z的抗氧化性。
近日，團隊在前期工作的基礎(chǔ)上，受天然生物材料多尺度復(fù)合和梯度過渡界面結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，提出了柔性有機纖維-有機氣凝膠基體的協(xié)同界面調(diào)控策略，成功研制出高強高損傷容限大尺寸碳?xì)饽z材料。相關(guān)研究成果以題為《Exceptionally strong and damage-tolerant carbon aerogel composite with high thermal stability and insulation》，于2025年4月16日發(fā)表在《Materials Today》期刊上。
研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯腈纖維(PANF)固有的柔韌性和熱軟化特性可促進纖維和基體干燥和炭化過程的協(xié)調(diào)變形，進而緩解了殘余應(yīng)力，阻止了界面脫粘。PANF表面豐富的氰基官能團通過與前驅(qū)體溶液形成氫鍵，促進了兩者間的浸潤和粘附，同時通過原位界面反應(yīng)在纖維和有機氣凝膠基體之間形成化學(xué)鍵，進而獲得原子級結(jié)合的纖維/基體梯度過渡界面結(jié)構(gòu)。由此制備的材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和隔熱能力，壓縮強度高達~90 MPa，比壓縮強度達~150 MPa⋅g-1cm3，熱導(dǎo)率低至0.35 W m-1 K-1。特別值得一提的是，因其優(yōu)異的強韌性，研究團隊首次獲得了氣凝膠材料的斷裂韌性達1.01 MPa⋅m1/2，與致密玻璃或核級石墨相當(dāng)；同時，該材料還具有穩(wěn)定的裂紋擴展行為，表現(xiàn)為上升的R曲線，可耐約1.6t重汽車的碾壓而不發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞。這一研究成功開發(fā)出高損傷容限碳?xì)饽z材料，可為新一代航空航天飛行器極端環(huán)境用熱防護系統(tǒng)的設(shè)計提供突破性的材料解決方案。
相關(guān)工作由金屬研究所師昌緒先進材料創(chuàng)新中心湯素芳課題組聯(lián)合劉增乾研究員、張哲峰研究員以及加州大學(xué)伯克利分校的研究人員合作完成。論文第一作者為博士生羅銳、博士生鮑克燁和李建項目研究員。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會、遼寧省杰出青年基金以及中國散裂中子源等項目和機構(gòu)的支持。
圖1. 制備流程示意圖和微觀結(jié)構(gòu)照片
圖2. 壓縮強度和彎曲強度性能對比圖
圖3. 抗壓測試和氧乙炔火焰隔熱考核照片
圖4. 優(yōu)異的大尺寸成型能力和可加工性
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