【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國科學院金屬研究所熱結構復合材料團隊采用高壓輔助固化-常壓干燥技術，通過基體微結構控制、纖維-基體協(xié)同收縮、原位界面反應制備出耐超高溫隔熱-承載一體化輕質(zhì)碳基復合材料。
 

　　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力疊加，以及緊湊機身結構帶來的空間限制，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)絡結構致使其強度低、脆性大、大尺寸塊體制備難，限制了其實際應用。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，導致復合材料出現(xiàn)開裂甚至分層等問題，使材料的力學和隔熱性能顯著下降。目前，發(fā)展耐超高溫、高效隔熱、高強韌的CAs材料及其大尺寸可控制備技術仍面臨巨大挑戰(zhàn)。
 

　　超臨界干燥是CAs的主流制備技術，其工藝復雜、成本高、危險系數(shù)大。近年來，研究團隊相繼發(fā)展了溶膠凝膠-水相常壓干燥(小分子單體為反應原料)、高壓輔助固化-常壓干燥(線性高分子樹脂為反應原料)2項CAs制備技術。為了實現(xiàn)前驅(qū)體有機氣凝膠和增強體的協(xié)同收縮，該團隊設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構，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力，進而可獲得低密度、無裂紋、大尺寸輕質(zhì)碳基復合材料。該材料可實現(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)、低熱導率(0.03W m-1 K-1)和高壓縮強度 (0.93MPa)等性能。相關成果發(fā)表在Carbon上。
 

　　在此基礎上，該團隊以工業(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，實現(xiàn)了炭化過程中基體和纖維的協(xié)同收縮及纖維/基體界面強的化學結合，最終獲得了大尺寸、無裂紋的碳纖維增強類CAs復合材料。
 

　　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，熱導率僅為0.32W m-1 K-1，其比壓縮強度(133MPa g-1 cm3)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%，具有更高的力學強度，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐超高、隔熱和承載性能。相關成果于近日在線發(fā)表在ACS Nano上。
 

　　上述隔熱-承載一體化輕質(zhì)碳基復合材料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)展提供了關鍵技術支撐。研究工作得到國家自然科學基金委重點聯(lián)合基金、優(yōu)秀青年基金、青年科學基金等項目的支持。
 

圖1 輕質(zhì)碳基復合材料表現(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-常壓干燥可實現(xiàn)較大密度范圍輕質(zhì)碳基復合材料的制備，其壓縮強度顯著高于文獻報道的氣凝膠和碳泡沫