近日，中國科學(xué)院金屬研究所熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)采用高壓輔助固化-常壓干燥技術(shù)，通過基體微結(jié)構(gòu)控制、纖維-基體協(xié)同收縮、原位界面反應(yīng)制備出耐超高溫隔熱-承載一體化輕質(zhì)碳基復(fù)合材料。航天航空飛行器在發(fā)射和再入大氣層時(shí)，因“熱障”引起的極端氣動(dòng)加熱，震動(dòng)、沖擊和熱載荷引起的應(yīng)力疊加，以及緊湊機(jī)身結(jié)構(gòu)帶來的空間限制，給機(jī)身熱防護(hù)系統(tǒng)帶來了異乎尋常的挑戰(zhàn)，亟需發(fā)展耐超高溫并兼具良好機(jī)械強(qiáng)度的新型隔熱材料。碳?xì)饽z（CAs）因其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和熱絕緣性，有望成為新一代先進(jìn)超高溫輕質(zhì)熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的突破性解決方案。然而，CAs高孔隙以及珠鏈狀顆粒搭接的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)致使其強(qiáng)度低、脆性大、大尺寸塊體制備難，限制了其實(shí)際應(yīng)用。國內(nèi)外普遍采用碳纖維或陶瓷纖維作為增強(qiáng)體，以期提升CAs的強(qiáng)韌性及大尺寸成型能力。然而，由于碳纖維或陶瓷纖維與有機(jī)前驅(qū)體氣凝膠炭化收縮嚴(yán)重不匹配，導(dǎo)致復(fù)合材料出現(xiàn)開裂甚至分層等問題，使材料的力學(xué)和隔熱性能顯著下降。目前，發(fā)展耐超高溫、高效隔熱、高強(qiáng)韌的CAs材料及其大尺寸可控制備技術(shù)仍面臨巨大挑戰(zhàn)。超臨界干燥是CAs的主流制備技術(shù)，其工藝復(fù)雜、成本高、危險(xiǎn)系數(shù)大。近年來，研究團(tuán)隊(duì)相繼發(fā)展了溶膠凝膠-水相常壓干燥（小分子單體為反應(yīng)原料）、高壓輔助固化-常壓干燥（線性高分子樹脂為反應(yīng)原料）2項(xiàng)CAs制備技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)前驅(qū)體有機(jī)氣凝膠和增強(qiáng)體的協(xié)同收縮，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種超低密度碳-有機(jī)混雜纖維增強(qiáng)體，其碳纖維盤旋扭曲呈“螺旋狀”，有機(jī)纖維具有空心結(jié)構(gòu)，單絲相互交叉呈“三維網(wǎng)狀”，賦予其優(yōu)異的超彈性。該超彈增強(qiáng)體的引入可大幅降低前驅(qū)體有機(jī)氣凝膠干燥和炭化過程的殘余應(yīng)力，進(jìn)而可獲得低密度、無裂紋、大尺寸輕質(zhì)碳基復(fù)合材料。該材料可實(shí)現(xiàn)大尺寸樣件（300mm以上量級(jí)）的高效、低成本制備，并具有低密度（0.16g cm-3）、低熱導(dǎo)率（0.03W m-1 K-1）和高壓縮強(qiáng)度 (0.93MPa)等性能。相關(guān)成果發(fā)表在Carbon上。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)以工業(yè)酚醛樹脂為前驅(qū)體，采用高沸點(diǎn)醇類為造孔劑并輔以高壓固化，促使有機(jī)網(wǎng)絡(luò)的均勻生長及大接觸頸、層次孔的生成，實(shí)現(xiàn)了骨架本征強(qiáng)度的提升，同時(shí)采用與前驅(qū)體有機(jī)氣凝膠匹配性好的酚醛纖維作為增強(qiáng)體，通過纖維/基體界面原位反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了炭化過程中基體和纖維的協(xié)同收縮及纖維/基體界面強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合，最終獲得了大尺寸、無裂紋的碳纖維增強(qiáng)類CAs復(fù)合材料。該材料密度為0.6g cm-3時(shí)，其壓縮強(qiáng)度及面內(nèi)剪切強(qiáng)度分別可達(dá)80MPa和20MPa，熱導(dǎo)率僅為0.32W m-1 K-1，其比壓縮強(qiáng)度（133MPa g-1 cm3）高于已知文獻(xiàn)報(bào)道的氣凝膠材料和碳泡沫。材料厚度為7.5–12.0mm時(shí)，正面經(jīng)1800°C、900s氧乙炔火焰加熱考核，背面溫度僅為778–685°C，且熱考核后線收縮率小于0.3%，具有更高的力學(xué)強(qiáng)度，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐超高、隔熱和承載性能。相關(guān)成果于近日在線發(fā)表在ACS Nano上。 圖1 輕質(zhì)碳基復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的承載能力、抗剪切能力以及大尺寸成型能力
圖2 高壓輔助固化-常壓干燥可實(shí)現(xiàn)較大密度范圍輕質(zhì)碳基復(fù)合材料的制備，其壓縮強(qiáng)度顯著高于文獻(xiàn)報(bào)道的氣凝膠和碳泡沫
上述隔熱-承載一體化輕質(zhì)碳基復(fù)合材料作為剛性隔熱材料在多個(gè)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)上裝機(jī)使用，為型號(hào)發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)聯(lián)合基金、優(yōu)秀青年基金、青年科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
