超臨界干燥是碳?xì)饽z的主流制備技術(shù)，其工藝復(fù)雜、成本高、危險(xiǎn)系數(shù)大。近年來(lái)，熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)相繼發(fā)展了溶膠凝膠-水相常壓干燥（小分子單體為反應(yīng)原料）、高壓輔助固化-常壓干燥（線性高分子樹(shù)脂為反應(yīng)原料）2項(xiàng)碳?xì)饽z制備新技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)前驅(qū)體有機(jī)氣凝膠和增強(qiáng)體的協(xié)同收縮，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種超低密度碳-有機(jī)混雜纖維增強(qiáng)體，其碳纖維盤(pán)旋扭曲呈“螺旋狀”，有機(jī)纖維具有空心結(jié)構(gòu)，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(qiáng)體的引入可大幅降低前驅(qū)體有機(jī)氣凝膠干燥和炭化過(guò)程的殘余應(yīng)力，進(jìn)而可獲得低密度、無(wú)裂紋、大尺寸輕質(zhì)碳基復(fù)合材料。該材料在已知文獻(xiàn)報(bào)道的采用常壓干燥法制備CAs材料領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平，可實(shí)現(xiàn)大尺寸樣件（300mm以上量級(jí)）的高效、低成本制備，并具有低密度（0.16g cm-3）、低熱導(dǎo)率（0.03W m-1 K-1）和高壓縮強(qiáng)度 (0.93MPa)等性能。相關(guān)工作在Carbon 2021，183上發(fā)表。
在此基礎(chǔ)上，本團(tuán)隊(duì)以工業(yè)酚醛樹(shù)脂為前驅(qū)體，采用高沸點(diǎn)醇類為造孔劑并輔以高壓固化，促使有機(jī)網(wǎng)絡(luò)的均勻生長(zhǎng)及大接觸頸、層次孔的生成，實(shí)現(xiàn)了骨架本征強(qiáng)度的提升，同時(shí)采用與前驅(qū)體有機(jī)氣凝膠匹配性好的酚醛纖維作為增強(qiáng)體，通過(guò)纖維/基體界面原位反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了炭化過(guò)程中基體和纖維的協(xié)同收縮及纖維/基體界面強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合，最終獲得了大尺寸、無(wú)裂紋的碳纖維增強(qiáng)類碳?xì)饽z復(fù)合材料。該材料密度為0.6g cm-3時(shí)，其壓縮強(qiáng)度及面內(nèi)剪切強(qiáng)度分別可達(dá)80MPa和20MPa、而熱導(dǎo)率僅為0.32W m-1 K-1，其比壓縮強(qiáng)度（133MPa g-1 cm3）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于已知文獻(xiàn)報(bào)道的氣凝膠材料和碳泡沫。材料厚度為7.5–12.0mm時(shí)，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%，并具有更高的力學(xué)強(qiáng)度，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐超高、隔熱和承載性能。相關(guān)工作在ACS Nano 2022，16上發(fā)表。
此外，上述隔熱-承載一體化輕質(zhì)碳基復(fù)合材料還首次作為剛性隔熱材料在多個(gè)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)上裝機(jī)使用，為型號(hào)發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)聯(lián)合基金、優(yōu)秀青年基金、青年科學(xué)基金、科學(xué)中心以及中科學(xué)青促會(huì)會(huì)員等項(xiàng)目的支持。
圖1. 輕質(zhì)碳基復(fù)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(shí)現(xiàn)較大密度范圍輕質(zhì)碳基復(fù)合材料的制備，其壓縮強(qiáng)度顯著高于文獻(xiàn)報(bào)道的氣凝膠和碳泡沫
