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具有低密度、低熱導(dǎo)率、高比表面積和出色的高溫?zé)岱€(wěn)定性等特點，是一種極具潛力的航空航天多功能熱防護(hù)材料。但碳?xì)饽z因其高孔隙率以及珠鏈狀碳顆粒搭接的微觀結(jié)構(gòu)，致使其脆性大、力學(xué)強(qiáng)度低以及大尺寸構(gòu)件成型困難，嚴(yán)重限制了其工程化應(yīng)用。
最近，中國科學(xué)院金屬研究所湯素芳研究員團(tuán)隊研發(fā)出一種新型高強(qiáng)韌碳?xì)饽z，其不僅具備優(yōu)異隔熱性能，而且斷裂韌性與致密玻璃相當(dāng)，還能承受約1.6噸汽車的碾壓。
科研團(tuán)隊歷經(jīng)五年攻關(guān)，通過新型制備技術(shù)，使有機(jī)氣凝膠實現(xiàn)“榫卯結(jié)構(gòu)”般的均勻生長以及大接觸頸的生成，實現(xiàn)了氣凝膠骨架本征強(qiáng)度的大幅提升。其次，模仿鋼筋混凝土原理，團(tuán)隊創(chuàng)新性地設(shè)計并發(fā)展出有機(jī)酚醛纖維增強(qiáng)酚醛氣凝膠基體，實現(xiàn)制備過程中的協(xié)同收縮，大幅降低了干燥和炭化過程的殘余應(yīng)力，實現(xiàn)了大尺寸、無裂紋碳?xì)饽z的制備。此外，針對碳?xì)饽z易氧化的問題，發(fā)展了限域選擇性陶瓷化涂層制備新技術(shù)和陶瓷前驅(qū)體基體改性新方法，顯著提升了碳?xì)饽z的抗氧化性。
近期，在前期工作的基礎(chǔ)上，科研團(tuán)隊用聚丙烯腈纖維（PANF）作為增強(qiáng)材料，成功研制出高強(qiáng)高損傷容限大尺寸碳?xì)饽z材料。PANF這種材料像“橡皮筋”一樣柔軟且有彈性，加熱時還會變軟。這種特性讓它和周圍的氣凝膠基體在干燥和高溫處理過程中能“同步伸縮”，避免因變形不一致而產(chǎn)生內(nèi)部拉扯力，從而防止兩者之間“脫黏分層”。PANF表面自帶大量帶負(fù)電的“小吸盤”（氰基官能團(tuán)），能牢牢抓住前驅(qū)體溶液（制作氣凝膠的原料液體），像雙面膠一樣讓纖維和基體緊密貼合。在高溫處理時，它們還會觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)，在纖維和基體之間形成“分子級臺階”，讓兩者從內(nèi)到外逐漸過渡結(jié)合。
本研究成功制備的新型高強(qiáng)韌碳?xì)饽z展現(xiàn)出卓越的綜合性能，其壓縮強(qiáng)度高達(dá)約90 MPa，比壓縮強(qiáng)度達(dá)約150 MPa?g-1cm3，面內(nèi)剪切強(qiáng)度達(dá)約30 MPa；同時，當(dāng)氧乙炔火焰燒蝕考核復(fù)合結(jié)構(gòu)表面溫度為1800℃，持續(xù)時間長達(dá)1000s，10mm厚隔熱材料實現(xiàn)了約1100℃的背面溫降。
此外，該材料斷裂韌性達(dá)1.01 MPa?m1/2，與致密玻璃或核級石墨相當(dāng)，且具有穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展行為，可耐約1.6t重汽車的碾壓而不發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞。該材料還可實現(xiàn)密度的寬范圍可調(diào)。
該研究成果有望為新一代航空航天飛行器及其動力系統(tǒng)極端環(huán)境用熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計提供突破性的材料解決方案。（記者：王魯婧）
