航空航天飞行器的热防护系统要求隔热材料具有优异的超高温隔热能力与高损伤容限，以应对外界复杂的热-力载荷。碳气凝胶具有低密度、低热导率、高比表面积和出色的高温热稳定性等特点，是一种极具潜力的航空航天多功能热防护材料。但碳气凝胶因其高孔隙率以及珠链状碳颗粒搭接的微观结构，致使其脆性大、力学强度低以及大尺寸构件成型困难，严重限制了其工程化应用。
最近，中国科学院金属研究所汤素芳研究员团队研发出一种新型高强韧碳气凝胶，其不仅具备优异隔热性能，而且断裂韧性与致密玻璃相当，还能承受约1.6吨汽车的碾压。
科研团队历经五年攻关，通过新型制备技术，使有机气凝胶实现“榫卯结构”般的均匀生长以及大接触颈的生成，实现了气凝胶骨架本征强度的大幅提升。其次，模仿钢筋混凝土原理，团队创新性地设计并发展出有机酚醛纤维增强酚醛气凝胶基体，实现制备过程中的协同收缩，大幅降低了干燥和炭化过程的残余应力，实现了大尺寸、无裂纹碳气凝胶的制备。此外，针对碳气凝胶易氧化的问题，发展了限域选择性陶瓷化涂层制备新技术和陶瓷前驱体基体改性新方法，显著提升了碳气凝胶的抗氧化性。
近期，在前期工作的基础上，科研团队用聚丙烯腈纤维（PANF）作为增强材料，成功研制出高强高损伤容限大尺寸碳气凝胶材料。PANF这种材料像“橡皮筋”一样柔软且有弹性，加热时还会变软。这种特性让它和周围的气凝胶基体在干燥和高温处理过程中能“同步伸缩”，避免因变形不一致而产生内部拉扯力，从而防止两者之间“脱黏分层”。PANF表面自带大量带负电的“小吸盘”（氰基官能团），能牢牢抓住前驱体溶液（制作气凝胶的原料液体），像双面胶一样让纤维和基体紧密贴合。在高温处理时，它们还会触发化学反应，在纤维和基体之间形成“分子级台阶”，让两者从内到外逐渐过渡结合。
本研究成功制备的新型高强韧碳气凝胶展现出卓越的综合性能，其压缩强度高达约90 MPa，比压缩强度达约150 MPa⋅g-1cm3，面内剪切强度达约30 MPa；同时，当氧乙炔火焰烧蚀考核复合结构表面温度为1800℃，持续时间长达1000s，10mm厚隔热材料实现了约1100℃的背面温降。
此外，该材料断裂韧性达1.01 MPa⋅m1/2，与致密玻璃或核级石墨相当，且具有稳定的裂纹扩展行为，可耐约1.6t重汽车的碾压而不发生结构损坏。该材料还可实现密度的宽范围可调。
该研究成果有望为新一代航空航天飞行器及其动力系统极端环境用热防护系统的设计提供突破性的材料解决方案。（记者：王鲁婧）
