航空航天飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)要求隔熱材料具有優(yōu)異的超高溫隔熱能力與高損傷容限，以應(yīng)對外界復(fù)雜的熱-力載荷。碳?xì)饽z因具有低密度、低熱導(dǎo)率、高比表面積以及出色的高溫?zé)岱€(wěn)定性等特點，是具有潛力的多功能熱防護(hù)材料。但碳?xì)饽z獨特的微結(jié)構(gòu)，如固有高孔隙率、珠鏈狀碳顆粒搭接結(jié)構(gòu)等，導(dǎo)致其本征脆性大、力學(xué)強(qiáng)度低以及大尺寸構(gòu)件成型困難，限制了其工程化應(yīng)用。
近年來，中國科學(xué)院金屬研究所研究員湯素芳團(tuán)隊致力于碳?xì)饽z強(qiáng)韌性、抗氧化及大尺寸成型研究，取得了系列進(jìn)展。該團(tuán)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)，聯(lián)合研究員劉增乾、張哲峰以及美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員提出了柔性有機(jī)纖維-有機(jī)氣凝膠基體的協(xié)同界面調(diào)控策略，并研制出高強(qiáng)高損傷容限大尺寸碳?xì)饽z材料。
研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯腈纖維固有的柔韌性和熱軟化特性能夠促進(jìn)纖維基體干燥與炭化過程的協(xié)調(diào)變形，緩解殘余應(yīng)力，并阻止界面脫粘。同時，聚丙烯腈纖維表面豐富的氰基官能團(tuán)通過與前驅(qū)體溶液形成氫鍵，促進(jìn)了兩者間的浸潤和粘附。進(jìn)一步，研究通過原位界面反應(yīng)在纖維和有機(jī)氣凝膠基體之間形成化學(xué)鍵，獲得了原子級結(jié)合的纖維/基體梯度過渡界面結(jié)構(gòu)。因此，制備的材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和隔熱能力。
實驗表明，該材料壓縮強(qiáng)度高至90MPa，比壓縮強(qiáng)度達(dá)150MPa?g-1cm3，熱導(dǎo)率低至0.35W m-1?K-1以及斷裂韌性達(dá)1.01MPa?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(kuò)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。
該研究開發(fā)出的高損傷容限碳?xì)饽z材料，有望為新一代航空航天飛行器極端環(huán)境用熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計提供材料解決方案。
近期，相關(guān)研究成果以Exceptionally strong and damage-tolerant carbon aerogel composite with high thermal stability and insulation為題，發(fā)表在《今日材料》（Materials Today）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院及遼寧省等的支持。
制備流程示意圖和微觀結(jié)構(gòu)照片
