【儀表網 研發快訊】航空航天飛行器的熱防護系統服役工況極為嚴苛，不僅要求隔熱材料具有優異的超高溫隔熱能力，還需具備高的損傷容限以應對外界復雜的熱-力載荷。碳氣凝膠具有低密度、低熱導率、高比表面積和出色的高溫熱穩定性等特點，是一種極具潛力的多功能熱防護材料。但是，碳氣凝膠獨特的微結構，如固有高孔隙率以及珠鏈狀碳顆粒搭接結構，致使其本征脆性大、力學強度低以及大尺寸構件成型困難，嚴重限制了其工程化應用。
近年來，中國科學院金屬研究所熱結構復合材料團隊致力于碳氣凝膠強韌性、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)碳氣凝膠制備新技術，通過有機凝膠網絡的均勻生長以及大接觸頸的生成，實現了氣凝膠骨架本征強度的大幅提升。為了實現有機氣凝膠和增強體制備過程中的協同收縮，創新性地設計并發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力，實現了大尺寸、無裂紋碳氣凝膠的制備(ACS Nano 2022)。同時，針對碳氣凝膠易氧化的問題，發展了限域選擇性陶瓷化涂層制備新技術(Adv. Funct. Mater. 2022，Compos. Part B 2023)和陶瓷前驅體基體改性新方法(J. Mater. Sci. Technol. 2025)，顯著提升了碳氣凝膠的抗氧化性。
近日，團隊在前期工作的基礎上，受天然生物材料多尺度復合和梯度過渡界面結構的啟發，提出了柔性有機纖維-有機氣凝膠基體的協同界面調控策略，成功研制出高強高損傷容限大尺寸碳氣凝膠材料。相關研究成果以題為《Exceptionally strong and damage-tolerant carbon aerogel composite with high thermal stability and insulation》，于2025年4月16日發表在《Materials Today》期刊上。
研究發現，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調變形，進而緩解了殘余應力，阻止了界面脫粘。PANF表面豐富的氰基官能團通過與前驅體溶液形成氫鍵，促進了兩者間的浸潤和粘附，同時通過原位界面反應在纖維和有機氣凝膠基體之間形成化學鍵，進而獲得原子級結合的纖維/基體梯度過渡界面結構。由此制備的材料具有優異的力學性能和隔熱能力，壓縮強度高達~90 MPa，比壓縮強度達~150 MPa⋅g-1cm3，熱導率低至0.35 W m-1 K-1。特別值得一提的是，因其優異的強韌性，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；同時，該材料還具有穩定的裂紋擴展行為，表現為上升的R曲線，可耐約1.6t重汽車的碾壓而不發生結構損壞。這一研究成功開發出高損傷容限碳氣凝膠材料，可為新一代航空航天飛行器極端環境用熱防護系統的設計提供突破性的材料解決方案。
相關工作由金屬研究所師昌緒先進材料創新中心湯素芳課題組聯合劉增乾研究員、張哲峰研究員以及加州大學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基金、中國科學院青年創新促進會、遼寧省杰出青年基金以及中國散裂中子源等項目和機構的支持。
圖1. 制備流程示意圖和微觀結構照片
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. 優異的大尺寸成型能力和可加工性
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