近期，中國科學院合肥物質院固體所熱控功能材料科研團隊在氣凝膠復合材料領域取得新進展，成功開發出兼具高溫隔熱性能和力學承載特性的氣凝膠復合材料，并實現了大尺寸樣品的可控制備。相關成果發表在Materials Today Energy和Journal of Materials Research and Technology期刊上。
隨著航空航天技術的飛速發展，新一代飛行器面臨的氣動加熱、機械振動、氧化燒蝕等極端環境對熱防護系統隔熱材料提出了更高要求——需兼具輕質、高強、高效隔熱及高溫穩定性。傳統氣凝膠材料雖然具有超低密度和優異的隔熱性能，但力學性能差、高溫穩定性不足、難以大尺寸制備等問題嚴重限制了其實際應用。針對這一技術難題，研究團隊在前期工作（Nanoscale, 2024, 16, 4600; ACS Applied Materials & Interfaces, 2023, 15, 29609）基礎上，采用碳纖維增強策略，成功制備了多種高性能氣凝膠復合材料。
在碳基氣凝膠復合材料研究中，團隊創新性地引入可膨脹石墨作為界面連接材料，構筑多尺度增強結構，提升了復合材料的力學性能；同時利用可膨脹石墨的高溫膨脹特性，有效降低了復合材料的碳化收縮率（降幅達19%）。所制備的復合材料具有穩健的多維孔道結構和良好的界面結合力，在0.43 g/cm3的較低密度下展現出226.9 MPa的超高抗壓強度，同時具有良好的隔熱性能，常溫和1100 ℃ 下的熱導率分別為 0.108 W/m·K和 0.404 W/m·K。
在陶瓷基氣凝膠復合材料方面，針對碳纖維較差的抗氧化性能，團隊通過前驅體浸漬-原位雙形貌生長技術，在碳纖維氈體中構筑SiC納米線氣凝膠網絡的同時，在碳纖維表面生成致密SiC保護層。對退火過程中SiC的微觀結構演變及原位生長機理的研究發現，在多相競爭反應體系中，固-固反應優先以碳纖維為成核位點，形成連續SiC包覆層；而氣-氣反應則以硅源前驅體為成核位點，沿[111]晶面生長成高長徑比SiC納米線。這種獨特結構使復合材料兼具輕質（密度0.18 g/cm3）、高強（壓縮強度12.5 MPa）、高效隔熱（常溫熱導率0.056 W/m·K）和抗氧化燒蝕（質量燒蝕率0.013 mg/s）特性，且經1220 ℃高溫燒蝕后仍能夠保持結構完整性及良好功能性。
上述研究均驗證了氣凝膠復合材料大尺寸制備的可行性，成功實現了150×150×20 mm尺寸樣品的完整制備及任意裁剪加工，為氣凝膠復合材料的工程化應用提供了新的技術思路。
以上工作得到了國家自然科學基金、安徽省科技重大專項、合肥物質院院長基金等項目的支持。
論文連接：
https://doi.org/10.1016/j.mtener.2025.101852
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.04.131
圖1. 碳纖維增強碳基氣凝膠復合材料的（a）制備流程圖；（b-e）微觀表征；（f）不同溫度熱導率；（g）壓縮應力-應變曲線及（h）成型加工性能。
圖2. 碳纖維增強SiC氣凝膠復合材料的（a-g）微觀表征；（h）抗燒蝕性能；（i）燒蝕前后不同溫度的熱導率；（j）燒蝕前后壓縮應力-應變曲線；（k）高溫隔熱性能及（l）成型加工性能。
