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中科院金屬所：耐超高溫隔熱-承載一體化輕質(zhì)碳基復(fù)合材料取得重要進展

2022-05-12 11:30:11 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

最近，金屬所熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料團隊采用高壓輔助固化-常壓干燥技術(shù)，并通過基體微結(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。近日，《ACS Nano》在線發(fā)表了該項研究成果。

航天航空飛行器在發(fā)射和再入大氣層時，因“熱障”引起的極端氣動加熱，震動、沖擊和熱載荷引起的應(yīng)力疊加，以及緊湊機身結(jié)構(gòu)帶來的空間限制，給機身熱防護系統(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械強度的新型隔熱材料。碳氣凝膠（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超高溫輕質(zhì)熱防護系統(tǒng)設(shè)計的突破性解決方案。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)致使其強度低、脆性大、大尺寸塊體制備難，大大限制了其實際應(yīng)用。國內(nèi)外普遍采用碳纖維或陶瓷纖維作為增強體，以期提升CAs的強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前驅(qū)體氣凝膠炭化收縮嚴重不匹配，導(dǎo)致復(fù)合材料出現(xiàn)開裂甚至分層等問題，反而使材料的力學(xué)和隔熱性能顯著下降。目前，發(fā)展兼具耐超高溫、高效隔熱、高強韌的碳氣凝膠材料及其大尺寸可控制備技術(shù)仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

超臨界干燥是碳氣凝膠的主流制備技術(shù)，其工藝復(fù)雜、成本高、危險系數(shù)大。近年來，熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料團隊相繼發(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項碳氣凝膠制備新技術(shù)。為了實現(xiàn)前驅(qū)體有機氣凝膠和增強體的協(xié)同收縮，本團隊設(shè)計了一種超低密度碳-有機混雜纖維增強體，其碳纖維盤旋扭曲呈“螺旋狀”，有機纖維具有空心結(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。該超彈增強體的引入可大幅降低前驅(qū)體有機氣凝膠干燥和炭化過程的殘余應(yīng)力，進而可獲得低密度、無裂紋、大尺寸輕質(zhì)碳基復(fù)合材料。該材料在已知文獻報道的采用常壓干燥法制備CAs材料領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平，可實現(xiàn)大尺寸樣件（300mm以上量級）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）和高壓縮強度（0.93MPa）等性能。相關(guān)工作在Carbon 2021，183上發(fā)表。

在此基礎(chǔ)上，本團隊以工業(yè)酚醛樹脂為前驅(qū)體，采用高沸點醇類為造孔劑并輔以高壓固化，促使有機網(wǎng)絡(luò)的均勻生長及大接觸頸、層次孔的生成，實現(xiàn)了骨架本征強度的提升，同時采用與前驅(qū)體有機氣凝膠匹配性好的酚醛纖維作為增強體，通過纖維/基體界面原位反應(yīng)，實現(xiàn)了炭化過程中基體和纖維的協(xié)同收縮及纖維/基體界面強的化學(xué)結(jié)合，最終獲得了大尺寸、無裂紋的碳纖維增強類碳氣凝膠復(fù)合材料。該材料密度為0.6g cm-3時，其壓縮強度及面內(nèi)剪切強度分別可達80MPa和20MPa、而熱導(dǎo)率僅為0.32W m-1 K-1，其比壓縮強度（133MPa g-1 cm3）遠遠高于已知文獻報道的氣凝膠材料和碳泡沫。材料厚度為7.5–12.0mm時，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%，并具有更高的力學(xué)強度，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐超高溫、隔熱和承載性能。相關(guān)工作在ACS Nano 2022，16上發(fā)表。

此外，上述隔熱-承載一體化輕質(zhì)碳基復(fù)合材料還首次作為剛性隔熱材料在多個先進發(fā)動機上裝機使用，為型號發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

上述工作得到了國家自然科學(xué)基金委重點聯(lián)合基金、優(yōu)秀青年基金、青年科學(xué)基金、科學(xué)中心以及中科院青促會會員等項目的支持。