航空航天飛行器的熱防護系統要求隔熱材料具有優異的超高溫隔熱能力與高損傷容限，以應對外界復雜的熱-力載荷。碳氣凝膠具有低密度、低熱導率、高比表面積和出色的高溫熱穩定性等特點，是一種極具潛力的航空航天多功能熱防護材料。但碳氣凝膠因其高孔隙率以及珠鏈狀碳顆粒搭接的微觀結構，致使其脆性大、力學強度低以及大尺寸構件成型困難，嚴重限制了其工程化應用。
最近，中國科學院金屬研究所湯素芳研究員團隊研發出一種新型高強韌碳氣凝膠，其不僅具備優異隔熱性能，而且斷裂韌性與致密玻璃相當，還能承受約1.6噸汽車的碾壓。
科研團隊歷經五年攻關，通過新型制備技術，使有機氣凝膠實現“榫卯結構”般的均勻生長以及大接觸頸的生成，實現了氣凝膠骨架本征強度的大幅提升。其次，模仿鋼筋混凝土原理，團隊創新性地設計并發展出有機酚醛纖維增強酚醛氣凝膠基體，實現制備過程中的協同收縮，大幅降低了干燥和炭化過程的殘余應力，實現了大尺寸、無裂紋碳氣凝膠的制備。此外，針對碳氣凝膠易氧化的問題，發展了限域選擇性陶瓷化涂層制備新技術和陶瓷前驅體基體改性新方法，顯著提升了碳氣凝膠的抗氧化性。
近期，在前期工作的基礎上，科研團隊用聚丙烯腈纖維（PANF）作為增強材料，成功研制出高強高損傷容限大尺寸碳氣凝膠材料。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生內部拉扯力，從而防止兩者之間“脫黏分層”。PANF表面自帶大量帶負電的“小吸盤”（氰基官能團），能牢牢抓住前驅體溶液（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，它們還會觸發化學反應，在纖維和基體之間形成“分子級臺階”，讓兩者從內到外逐漸過渡結合。
本研究成功制備的新型高強韌碳氣凝膠展現出卓越的綜合性能，其壓縮強度高達約90 MPa，比壓縮強度達約150 MPa?g-1cm3，面內剪切強度達約30 MPa；同時，當氧乙炔火焰燒蝕考核復合結構表面溫度為1800℃，持續時間長達1000s，10mm厚隔熱材料實現了約1100℃的背面溫降。
此外，該材料斷裂韌性達1.01 MPa?m1/2，與致密玻璃或核級石墨相當，且具有穩定的裂紋擴展行為，可耐約1.6t重汽車的碾壓而不發生結構損壞。該材料還可實現密度的寬范圍可調。
該研究成果有望為新一代航空航天飛行器及其動力系統極端環境用熱防護系統的設計提供突破性的材料解決方案。（記者：王魯婧）
