航空航天飛行器的熱防護系統(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)對外界復雜的熱-力載荷。碳氣凝膠因具有低密度、低熱導率、高比表面積以及出色的高溫熱穩(wěn)定性等特點，是具有潛力的多功能熱防護材料。但碳氣凝膠獨特的微結(jié)構(gòu)，如固有高孔隙率、珠鏈狀碳顆粒搭接結(jié)構(gòu)等，導致其本征脆性大、力學強度低以及大尺寸構(gòu)件成型困難，限制了其工程化應(yīng)用。
近年來，中國科學院金屬研究所研究員湯素芳團隊致力于碳氣凝膠強韌性、抗氧化及大尺寸成型研究，取得了系列進展。該團隊在前期工作的基礎(chǔ)上，受天然生物材料多尺度復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伯克利分校的研究人員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，并研制出高強高損傷容限大尺寸碳氣凝膠材料。
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。進一步，研究通過原位界面反應(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)異的力學性能和隔熱能力。
實驗表明，該材料壓縮強度高至90MPa，比壓縮強度達150MPa?g-1cm3，熱導率低至0.35W m-1?K-1以及斷裂韌性達1.01MPa?m1/2，與致密玻璃或核級石墨相當。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。
該研究開發(fā)出的高損傷容限碳氣凝膠材料，有望為新一代航空航天飛行器極端環(huán)境用熱防護系統(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基金委員會、中國科學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
