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科技動態

金屬所耐超高溫隔熱-承載一體化輕質碳基復合材料取得重要進展

撰稿: 金屬研究所 發布時間:2022-05-09
   最近,金屬所熱結構復合材料團隊采用高壓輔助固化-常壓干燥技術,并通過基體微結構控制、纖維-基體協同收縮、原位界面反應制備出耐超高溫隔熱-承載一體化輕質碳基復合材料。近日,《ACS Nano》在線發表了該項研究成果。
  航天航空飛行器在發射和再入大氣層時,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,給機身熱防護系統帶來了異乎尋常的挑戰,亟需發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)因其優異的熱穩定性和熱絕緣性,有望成為新一代先進超高溫輕質熱防護系統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絡結構致使其強度低、脆性大、大尺寸塊體制備難,大大限制了其實際應用。國內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體氣凝膠炭化收縮嚴重不匹配,導致復合材料出現開裂甚至分層等問題,反而使材料的力學和隔熱性能顯著下降。目前,發展兼具耐超高溫、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仍面臨巨大挑戰。

  超臨界干燥是碳氣凝膠的主流制備技術,其工藝復雜、成本高、危險系數大。近年來,熱結構復合材料團隊相繼發展了溶膠凝膠-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項碳氣凝膠制備新技術。為了實現前驅體有機氣凝膠和增強體的協同收縮,本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“三維網狀”,賦予其優異的超彈性。該超彈增強體的引入可大幅降低前驅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、大尺寸輕質碳基復合材料。該材料在已知文獻報道的采用常壓干燥法制備CAs材料領域處于領先水平,可實現大尺寸樣件(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。相關工作在Carbon 2021,183上發表。

  在此基礎上,本團隊以工業酚醛樹脂為前驅體,采用高沸點醇類為造孔劑并輔以高壓固化,促使有機網絡的均勻生長及大接觸頸、層次孔的生成,實現了骨架本征強度的提升,同時采用與前驅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,實現了炭化過程中基體和纖維的協同收縮及纖維/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碳氣凝膠復合材料。該材料密度為0.6g cm-3時,其壓縮強度及面內剪切強度分別可達80MPa和20MPa、而熱導率僅為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%,并具有更高的力學強度,表現出優異的耐超高、隔熱和承載性能。相關工作在ACS Nano 2022,16上發表。

  此外,上述隔熱-承載一體化輕質碳基復合材料還首次作為剛性隔熱材料在多個先進發動機上裝機使用,為型號發展提供了關鍵技術支撐。

  上述工作得到了國家自然科學基金委重點聯合基金、優秀青年基金、青年科學基金、科學中心以及中科學青促會會員等項目的支持。

   

  圖1. 輕質碳基復合材料表現出優異的承載能力、抗剪切能力以及大尺寸成型能力

   

  圖2. 高壓輔助固化-常壓干燥可實現較大密度范圍輕質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

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