近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所納米材料與器件技術(shù)研究部熱控功能材料科研團(tuán)隊(duì)在氣凝膠復(fù)合材料領(lǐng)域取得新進(jìn)展，成功開發(fā)出兼具高溫隔熱性能和力學(xué)承載特性的氣凝膠復(fù)合材料，并實(shí)現(xiàn)了大尺寸樣品的可控制備。相關(guān)成果發(fā)表在Materials Today Energy?和Journal of Materials Research and Technology?期刊上。

隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，新一代飛行器面臨的氣動(dòng)加熱、機(jī)械振動(dòng)、氧化燒蝕等極端環(huán)境對(duì)熱防護(hù)系統(tǒng)隔熱材料提出了更高要求——需兼具輕質(zhì)、高強(qiáng)、高效隔熱及高溫穩(wěn)定性。傳統(tǒng)氣凝膠材料雖然具有超低密度和優(yōu)異的隔熱性能，但力學(xué)性能差、高溫穩(wěn)定性不足、難以大尺寸制備等問(wèn)題嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)這一技術(shù)難題，研究團(tuán)隊(duì)在前期工作（Nanoscale,2024,16,?4600;ACS Applied?Materials &?Interfaces,2023,15,29609）基礎(chǔ)上，采用碳纖維增強(qiáng)策略，成功制備了多種高性能氣凝膠復(fù)合材料。

在碳基氣凝膠復(fù)合材料研究中，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入可膨脹石墨作為界面連接材料，構(gòu)筑多尺度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，提升了復(fù)合材料的力學(xué)性能；同時(shí)利用可膨脹石墨的高溫膨脹特性，有效降低了復(fù)合材料的碳化收縮率（降幅達(dá)19%）。所制備的復(fù)合材料具有穩(wěn)健的多維孔道結(jié)構(gòu)和良好的界面結(jié)合力，在0.43 g/cm3的較低密度下展現(xiàn)出226.9 MPa的超高抗壓強(qiáng)度，同時(shí)具有良好的隔熱性能，常溫和1100 ℃?下的熱導(dǎo)率分別為 0.108 W/m·K和 0.404 W/m·K。

在陶瓷基氣凝膠復(fù)合材料方面，針對(duì)碳纖維較差的抗氧化性能，團(tuán)隊(duì)通過(guò)前驅(qū)體浸漬-原位雙形貌生長(zhǎng)技術(shù)，在碳纖維氈體中構(gòu)筑SiC納米線氣凝膠網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，在碳纖維表面生成致密SiC保護(hù)層。對(duì)退火過(guò)程中SiC的微觀結(jié)構(gòu)演變及原位生長(zhǎng)機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，在多相競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)體系中，固-固反應(yīng)優(yōu)先以碳纖維為成核位點(diǎn)，形成連續(xù)SiC包覆層；而氣-氣反應(yīng)則以硅源前驅(qū)體為成核位點(diǎn)，沿[111]晶面生長(zhǎng)成高長(zhǎng)徑比SiC納米線。這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)使復(fù)合材料兼具輕質(zhì)（密度0.18 g/cm3）、高強(qiáng)（壓縮強(qiáng)度12.5 MPa）、高效隔熱（常溫?zé)釋?dǎo)率0.056 W/m·K）和抗氧化燒蝕（質(zhì)量燒蝕率0.013 mg/s）特性，且經(jīng)1220?℃高溫?zé)g后仍能夠保持結(jié)構(gòu)完整性及良好功能性。

上述研究均驗(yàn)證了氣凝膠復(fù)合材料大尺寸制備的可行性，成功實(shí)現(xiàn)了150×150×20?mm尺寸樣品的完整制備及任意裁剪加工，為氣凝膠復(fù)合材料在航空航天熱防護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域的工程化應(yīng)用提供了新的技術(shù)思路。

以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省科技重大專項(xiàng)、合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)基金等項(xiàng)目的支持。

論文連接：

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2025.101852

https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.04.131

圖1. 碳纖維增強(qiáng)碳基氣凝膠復(fù)合材料的（a）制備流程圖；（b-e）微觀表征；（f）不同溫度熱導(dǎo)率；（g）壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線及（h）成型加工性能。

圖2. 碳纖維增強(qiáng)SiC氣凝膠復(fù)合材料的（a-g）微觀表征；（h）抗燒蝕性能；（i）燒蝕前后不同溫度的熱導(dǎo)率；（j）燒蝕前后壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（k）高溫隔熱性能及（l）成型加工性能。