耐热/抗烧蚀——含硅聚芳基乙炔气凝胶

发布时间：2026-5-9    点击数：30        在航天器运行过程中，高速热流与飞行器表面产生强烈摩擦，形成恶劣的气动加热环境，这对材料的热防护性能提出了极高要求。作为热防护系统的重要组成部分，隔热层需确保航天器表面因强辐射产生的温度升高不超过预设阈值，否则内部测量设备可能会受到损坏。在过往研究中，先进功能复合材料因能满足航空航天领域极端服役环境和轻量化需求而成为首选。聚合物基复合材料已广泛应用于热防护系统，例如硼、磷、锆或硅化合物、碳纳米管、石墨烯以及纤维织物增强酚醛树脂等。通过降低炭化烧蚀材料的导热系数、有效厚度和重量来提升其烧蚀- 隔热性能，是当前的研究重点。因此，气凝胶烧蚀材料在热防护系统中的应用得到了广泛研究。气凝胶是一种高度交联的多孔材料，其复杂的三维结构能有效延长传热路径，从而具备优异的隔热性能。这类材料在隔热应用中具有可预见的优势，如低密度、高孔隙率和低导热系数。然而，普通气凝胶在航空航天等高温氧化极端环境中的使用通常受到限制。例如，广泛使用的二氧化硅气凝胶具有氧化物气凝胶固有的脆性且3-8μm 波长的红外辐射能穿透其中，导致辐射导热系数大幅增加，使其不适用于隔热应用。聚酰亚胺气凝胶是一种综合性能优良的材料，具有出色的力学性能和较高的热稳定性，但在700℃时几乎完全汽化，不具备烧蚀隔热性能。酚醛树脂广泛用作航空航天领域的烧蚀材料。然而，酚醛树脂耐热性较差，连续使用温度约为 200℃，无法满足长期服役要求。总体而言，有机气凝胶是超轻质隔热材料，但在高温环境中受到树脂基体性能的限制。        因此，国内有关研究团队开发了一种新型兼具耐热性和烧蚀性能、适用于航空航天应用的超轻质隔热气凝胶——含硅聚芳基乙炔气凝胶（PSA）。该气凝胶具有低密度（0.120g/cm³）、低导热系数（0.039W・m⁻¹・K⁻¹）和优异的隔热性能。经碳纤维增强后的含硅聚芳基乙炔气凝胶力学性能得到改善，屈服强度达到8.38MPa。 小结        上述研发的含硅聚芳基乙炔气凝胶具有低密度、低导热系数、耐高温、耐烧蚀和高效隔热等优点，作为航空航天领域的高温隔热材料具有巨大应用潜力。 图1 含硅聚芳基乙炔气凝胶的制备机理 图2 不同加热时间下样品上表面的红外热像图 原文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/app.52385 foam 先进隔热材料

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