引言：碳纖維增強碳基（Carbon/Carbon，C/C）復(fù)合材料具有一系列優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能，已成為航空航天領(lǐng)域高溫熱結(jié)構(gòu)材料的候選材料。然而，碳基體的強度低、脆性大，微觀尺度碳纖維不能在納米尺度上有效地強化碳基體；同時，飛行器的快速發(fā)展要求C/C復(fù)合材料兼具優(yōu)異力學性能和多功能特性。為了有效解決上述問題并滿足發(fā)展需求，近年來各種一維（1D）納米結(jié)構(gòu)作為納米尺度增強體被引入到復(fù)合材料中，實現(xiàn)了C/C力學性能和功能特性（抗氧化、抗燒蝕、導(dǎo)熱、電磁屏蔽等）的改善。

近日，西北工業(yè)大學李賀軍院士團隊系統(tǒng)總結(jié)了一維納米結(jié)構(gòu)（碳基/硅基陶瓷/超高溫陶瓷/雜化一維納米材料等）強韌化C/C復(fù)合材料研究進展，包括復(fù)合材料制備策略、一維納米結(jié)構(gòu)引入方法、一維納米結(jié)構(gòu)強韌化C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征、力學與功能特性演變規(guī)律等。基于一維納米材料引入對C/C復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)影響規(guī)律分析，討論了其改善C/C力學和功能特性的作用機制，并展望了一維納米結(jié)構(gòu)強韌化C/C復(fù)合材料未來研究的機遇和挑戰(zhàn)。相關(guān)工作以題為“Recent Progress in One-Dimensional Nanostructures Reinforced Carbon/Carbon Composites”發(fā)表在了Adv. Funct. Mater.上，論文含大圖27幅，表格4個，參考文獻245條，總計22000余字。

圖1 “一維納米結(jié)構(gòu)增強C/C復(fù)合材料的設(shè)計、制備和性能”研究框架圖

圖2 3D碳纖維預(yù)制體形式

圖3 “分步法”和“一步高效法”制備一維納米結(jié)構(gòu)增強C/C復(fù)合材料的典型工藝

圖4 一維納米結(jié)構(gòu)引入C/C復(fù)合材料內(nèi)的物理和化學方法

圖5 不同形貌CNTs強韌化C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征和力學性能

圖6 直立CNTs強韌化C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征和力學性能

圖7 電泳CNTs強韌化C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征和力學性能

圖8 CNTs強韌化C/C復(fù)合材料的界面設(shè)計和力學性能

圖9 CNTs強韌化C/C復(fù)合材料高效制備新策略

圖10 CNTs強韌化陶瓷改性C/C復(fù)合材料高效制備新策略和結(jié)構(gòu)性能表征

圖11 CNTs強韌化C/C復(fù)合材料的功能特性：導(dǎo)熱、氧化、燒蝕、電磁等

圖12 CNFs強韌化C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征和性能

 圖13 SiCNWs強韌化碳布基C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征和力學性能（彎曲）

圖14 SiCNWs強韌化碳氈基C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征和力學性能（彎曲）

圖15 SiCNWs強韌化碳氈基C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征和力學性能（壓縮、剪切）

圖16 SiCNWs強韌化C/C復(fù)合材料的疲勞性能

圖17 SiCNWs強韌化C/C復(fù)合材料的功能特性：導(dǎo)熱、氧化、電磁等

圖18 SiCNWs強韌化陶瓷改性C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征與力學性能

圖19 SiCNWs強韌化陶瓷改性C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征與電磁功能特性

圖20 Si3N4NWs強韌化C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征與力學性能

圖21 HfCNWs強韌化C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能表征

圖22 ZrCNWs強韌化C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能表征

圖23 SiCNWs與Si3N4NBs強韌化C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能表征

圖24 SiCNWs@CNTs強韌化C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能表征

圖25 SiCNWs@PyC強韌化陶瓷改性C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能表征 

圖26 一維納米結(jié)構(gòu)對C/C復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布影響規(guī)律

圖27 一維納米結(jié)構(gòu)對C/C復(fù)合材料性能（力學、電磁、燒蝕等）的作用機制分析

小結(jié)：

隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，為了滿足日益增長的需求和復(fù)雜的服役環(huán)境，迫切需要開發(fā)高強度、多功能、高性能C/C復(fù)合材料。一維納米材料具有高強度、優(yōu)異的延展性和大長徑比等優(yōu)點，因此，設(shè)計和制備一維納米結(jié)構(gòu)增強C/C復(fù)合材料被認為是實現(xiàn)高力學性能和其他功能特性的有效途徑。針對不同的一維納米結(jié)構(gòu)體系和生長基底，提出了一系列一維納米結(jié)構(gòu)的引入方法；一維納米結(jié)構(gòu)的引入可以細化熱解碳基體結(jié)構(gòu)，減少C/C內(nèi)部缺陷，增強纖維/基體界面結(jié)合，改善應(yīng)力分布，實現(xiàn)力學性能的改善；此外，還可以提高C/C抗燒蝕、抗氧化、電磁屏蔽和熱物理性能。本綜述提出的“一維納米增強”策略可廣泛應(yīng)用于各種纖維增強復(fù)合材料和陶瓷涂層領(lǐng)域。

雖然一維納米結(jié)構(gòu)的引入可以在一定程度上改善C/C復(fù)合材料的性能，但在極端高溫應(yīng)用環(huán)境下，進一步提高C/C復(fù)合材料的性能仍然存在一些挑戰(zhàn)，存在眾多問題需要研究學者考慮，例如，“C/C復(fù)合材料高氧化敏感性”、“一維納米材料高溫穩(wěn)定性”、“近服役環(huán)境下性能測試和機理研究”、“大尺寸異形結(jié)構(gòu)件制備”等。

文獻鏈接：

Xuemin Yin1, Liyuan Han1, Huimin Liu, Ni Li*, Qiang Song*, Qiangang Fu, Yulei Zhang*, Hejun Li. Recent Progress in One-Dimensional Nanostructures Reinforced Carbon/Carbon Composites. Advanced Functional Materials, 2022, 202204965.（DOI: 10.1002/adfm.202204965）

部分作者簡介

殷學民，分別于2014和2021年獲西北工業(yè)大學學士和博士學位，師從李賀軍院士。主要從事陶瓷基/碳基納米材料的可控制備及其強韌化、功能化復(fù)合材料相關(guān)領(lǐng)域的研究工作；以第一或通訊作者身份在Adv. Funct. Mater.、Small、Compos. Sci. Technol.、Chem. Eng. J.、ACS Appl. Mater. Inter.、J. Mater. Sci. Technol.、Sci. China Mater.等國內(nèi)外期刊上發(fā)表SCI論文多篇，ESI高被引論文3篇。

韓麗媛，于2016年在中北大學獲得學士學位，隨后在西北工業(yè)大學攻讀碩士和博士學位（導(dǎo)師：李克智教授）。主要從事碳基納米材料制備及其在復(fù)合材料強韌化、功能化方面的應(yīng)用，目前以第一/共一作者身份在Adv. Funct. Mater.、Compos. Sci. Technol.、Carbon、Compos. Part B-Eng.等期刊上發(fā)表SCI論文多篇，其中1篇論文入選ESI高被引論文。

宋強研究員，西北工業(yè)大學研究員，博士生導(dǎo)師，陜西省杰青，西北工業(yè)大學“翱翔青年學者”，主要從事納米改性C/C熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其多功能化研究，以第一或通訊作者身份先后在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Small、Chem. Eng. J.、Carbon、Compos. Sci. Technol.、J. Mater. Sci. Technol.等發(fā)表SCI論文50余篇，ESI高被引論文5篇，授權(quán)國家發(fā)明專利12件。主持國家自然科學基金3項，作為學術(shù)骨干參與千萬級國家重大項目多項，獲教育部自然科學一等獎1項（2020年，排2）。

張雨雷教授，西北工業(yè)大學教授，博士生導(dǎo)師，國家級青年人才入選者，超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點實驗室副主任，主要從事抗氧化、抗燒蝕碳/碳復(fù)合材料研究，以第一或通訊作者身份先后在Adv. Funct. Mater.、Carbon、Corros. Sci.、J. Eur. Ceram. Soc.、J. Mater. Sci. Technol.等期刊上發(fā)表SCI論文90余篇，授權(quán)發(fā)明專利26件。主持國家自然科學基金（重點、重大研究計劃、面上等5項）、國家重點研發(fā)計劃課題、173計劃領(lǐng)域重點基金等項目20余項。獲國家自然科學二等獎（2016年，排5）、陜西省青年科技獎（2020年）、教育部自然科學一等獎1項（2020年，排3）等國家級和省部級科研獎勵5項。