【仪表网 研发快讯】航空航天飞行器的热防护系统服役工况极为严苛，不仅要求隔热材料具有优异的超高温隔热能力，还需具备高的损伤容限以应对外界复杂的热-力载荷。碳气凝胶具有低密度、低热导率、高比表面积和出色的高温热稳定性等特点，是一种极具潜力的多功能热防护材料。但是，碳气凝胶独特的微结构，如固有高孔隙率以及珠链状碳颗粒搭接结构，致使其本征脆性大、力学强度低以及大尺寸构件成型困难，严重限制了其工程化应用。
近年来，中国科学院金属研究所热结构复合材料团队致力于碳气凝胶强韧性、抗氧化及大尺寸成型研究，取得了系列重要进展。团队相继发展了溶胶凝胶-水相常压干燥(J. Mater. Sci. Technol. 2020)和高压辅助相分离-常压干燥(Carbon 2021)碳气凝胶制备新技术，通过有机凝胶网络的均匀生长以及大接触颈的生成，实现了气凝胶骨架本征强度的大幅提升。为了实现有机气凝胶和增强体制备过程中的协同收缩，创新性地设计并发展出有机酚醛纤维增强酚醛气凝胶基体，大幅降低了干燥和炭化过程的残余应力，实现了大尺寸、无裂纹碳气凝胶的制备(ACS Nano 2022)。同时，针对碳气凝胶易氧化的问题，发展了限域选择性陶瓷化涂层制备新技术(Adv. Funct. Mater. 2022，Compos. Part B 2023)和陶瓷前驱体基体改性新方法(J. Mater. Sci. Technol. 2025)，显著提升了碳气凝胶的抗氧化性。
近日，团队在前期工作的基础上，受天然生物材料多尺度复合和梯度过渡界面结构的启发，提出了柔性有机纤维-有机气凝胶基体的协同界面调控策略，成功研制出高强高损伤容限大尺寸碳气凝胶材料。相关研究成果以题为《Exceptionally strong and damage-tolerant carbon aerogel composite with high thermal stability and insulation》，于2025年4月16日发表在《Materials Today》期刊上。
研究发现，聚丙烯腈纤维(PANF)固有的柔韧性和热软化特性可促进纤维和基体干燥和炭化过程的协调变形，进而缓解了残余应力，阻止了界面脱粘。PANF表面丰富的氰基官能团通过与前驱体溶液形成氢键，促进了两者间的浸润和粘附，同时通过原位界面反应在纤维和有机气凝胶基体之间形成化学键，进而获得原子级结合的纤维/基体梯度过渡界面结构。由此制备的材料具有优异的力学性能和隔热能力，压缩强度高达~90 MPa，比压缩强度达~150 MPa⋅g-1cm3，热导率低至0.35 W m-1 K-1。特别值得一提的是，因其优异的强韧性，研究团队首次获得了气凝胶材料的断裂韧性达1.01 MPa⋅m1/2，与致密玻璃或核级石墨相当；同时，该材料还具有稳定的裂纹扩展行为，表现为上升的R曲线，可耐约1.6t重汽车的碾压而不发生结构损坏。这一研究成功开发出高损伤容限碳气凝胶材料，可为新一代航空航天飞行器极端环境用热防护系统的设计提供突破性的材料解决方案。
相关工作由金属研究所师昌绪先进材料创新中心汤素芳课题组联合刘增乾研究员、张哲峰研究员以及加州大学伯克利分校的研究人员合作完成。论文第一作者为博士生罗锐、博士生鲍克烨和李建项目研究员。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、辽宁省杰出青年基金以及中国散裂中子源等项目和机构的支持。
图1. 制备流程示意图和微观结构照片
图2. 压缩强度和弯曲强度性能对比图
图3. 抗压测试和氧乙炔火焰隔热考核照片
图4. 优异的大尺寸成型能力和可加工性
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