背景介紹

新型高速航天飛行器的不斷發展對耐高溫、輕質、高性隔熱材料提出了需求迫切。炭氣凝膠具有低密度、低熱導率及耐超高溫、高紅外比消光系數等優點，使其作為耐超高溫高性能隔熱材料具有顯著優勢。炭氣凝膠于1989年由Pekala等首次以間苯二酚-甲醛為前驅體制得酚醛有機氣凝膠，再經高溫裂解得到。但所得炭氣凝膠的力學強度較差且制備工藝復雜，因此，如何簡化制備工藝、提高炭氣凝膠的力學性能等仍是重要挑戰。本文結合本課題組在氣凝膠隔熱材料方面的研究經驗，在闡述炭氣凝膠隔熱性能研究的基礎上，總結了國內外炭氣凝膠隔熱材料制備工藝及性能優化的研究進展，并對其未來發展方向進行展望。

炭氣凝膠隔熱性能研究進展

在一定環境條件下，炭氣凝膠的隔熱性能主要與其密度和結構組成（粒徑、孔徑及孔隙率等）密切相關。其中，通過減小氣凝膠密度、孔徑、粒徑和顆粒接觸面積及纖維增強體的直徑和密度，可有效降低炭氣凝膠的常溫熱導率。對于高溫隔熱應用，密度應＜0.15 g/cm³，此時炭氣凝膠700 ℃熱導率≤0.1 W/(m?K)。

炭氣凝膠隔熱材料制備工藝及性能優化研究進展

力學性能增強

炭納米顆粒之間的弱連接使炭氣凝膠質脆易碎、強韌性較差，為此，常需在炭氣凝膠內部引入增強相等以提升其力學性能。通過引入炭泡沫、纖維及石墨烯等，可有效提高炭氣凝膠的機械強度、改善其固有脆性。其中，相較于炭泡沫及石墨烯，纖維增強更能顯著提高炭氣凝膠的韌性和力學強度，壓縮強度可達80 MPa（0.6 g/cm³），且纖維間可被炭氣凝膠隔開，減少接觸，從而降低纖維間固態熱傳導。

耐燒蝕抗氧化

炭氣凝膠暴露在超過450 ℃氧化氣氛中時會迅速氧化失重，引發氧化失效。通過原位共聚或后期浸漬在炭氣凝膠基體的內部或表面引入陶瓷相可以提高炭氣凝膠的抗氧化及耐燒蝕性能，并使其兼具耐1900 ℃超高溫特性。

低成本

炭氣凝膠較高的原材料成本（如間苯二酚）、制備過程中的長周期溶劑置換及復雜且高成本的超臨界干燥工藝，限制了其產業化應用。采用工藝優化、添加模板及添加劑等方式，可以實現炭氣凝膠的常壓干燥制備，從而有效降低了炭氣凝膠隔熱材料的生產成本。

超輕超彈

無定形炭氣凝膠一般密度較大且彈性較差。通過石墨烯、碳納米管等低維納米炭材料自組裝形成三維網絡凝膠，可得到具有超輕超彈特性的炭氣凝膠，但碳納米管及石墨烯本身具有極高熱導率。利用氣凝膠內部的雜質、缺陷，界面熱阻和接觸熱阻，以及氣凝膠結構的定向控制等方法，可以獲得具有極低常溫熱導率（0.00575 W/(m•K)）的超輕超彈炭氣凝膠。

存在的問題

（1）炭氣凝膠的密度、結構及增強體的性質對炭氣凝膠高溫熱導率的影響規律，特別是對其高溫輻射熱導率的影響規律，尚缺乏理論計算與實驗研究；

（2）炭氣凝膠的力學性能增強與隔熱性能提升存在一定矛盾；

（3）炭氣凝膠的抗氧化及耐燒蝕性能的表征手段與材料實際工況存在較大差距；

（4）低成本制備的炭氣凝膠的隔熱性能與超臨界的炭氣凝膠仍存在一定差距；

（5）尚未研究超輕超彈炭氣凝膠的高溫隔熱性能。

未來研究方向

（1）在隔熱性能研究方面，應重點加強炭氣凝膠高溫熱導率的理論計算研究，明確結構等因素對炭氣凝膠高溫熱導率的影響規律，并在此基礎上開展詳細的實驗研究；

（2）在力學性能提升方面，應結合炭氣凝膠實際使用環境及產品技術指標，平衡熱約束和機械約束之間的矛盾，實現炭氣凝膠隔熱材料的結構設計；

（3）在耐燒蝕/抗氧化方面，應結合產品實際工況完善相應的考核方式，為產品的實際應用提供更為真實的性能指導；

（4）在低成本研究方面，應加強酚醛樹脂/HMTA體系的結構調控，縮短常壓干燥與超臨界干燥炭氣凝膠隔熱性能之間的差距；

（5）在超輕超彈炭氣凝膠隔熱材料方面，應加強大尺寸樣件的制備并完善高溫隔熱性能的研究；

（6）在應用研究方面，后續應積極推廣炭氣凝膠在民用領域的研究應用、完善其性能考核內容并明確其使用邊界，以及推進炭氣凝膠相關標準的建立。

國防科技大學氣凝膠隔熱材料研究團隊成立于2001年，團隊面向我國高速飛行器發展迫切需要解決的防隔熱關鍵難題，主要開展納米多孔氣凝膠隔熱材料基礎理論與應用技術研究。目前在氣凝膠隔熱材料產品方面己經形成完備的體系，包括聚酰亞胺、SiO₂、Al₂O₃、SiCO、Al₂O₃-SiO₂、炭、有機-無機雜化等氣凝膠，使用溫度覆蓋從極低溫-196 ℃超高溫2000 ℃很寬的溫度范圍，能夠滿足不同應用場合的需求。團隊的研究成果極大推動了氣凝膠隔熱材料實際應用于我國新型高速飛行器，目前己實現科技成果轉化項目2項。

原文出處：

門靜, 王魯凱, 馮軍宗, 姜勇剛, 李良軍, 馮堅. 炭氣凝膠隔熱材料研究進展[J]. 材料工程, 2024, 52(6): 78-91.

Jing MEN, Lukai WANG, Junzong FENG, Yonggang JIANG, Liangjun LI, Jian FENG. Research progress in carbon aerogels for thermal insulations[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(6): 78-91.