来源 | Journal of Advanced Ceramics

链接 | https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221113

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背景介绍

随着航空航天飞行器的快速发展，延长飞行时间和更高的速度的设计，将导致显著的气动加热和来自振动、冲击和热载荷的强烈机械应力。热防护系统（TPS）对于确保高超声速飞行器内飞行和高精度仪器的结构完整性、操作性能和安全性至关重要。高超声速飞行器在飞行时受到严重的气动加热，对热防护系统的设计构成了重大挑战。碳粘结碳纤维（CBCF）复合材料因轻质结构和在高温下出色的尺寸稳定性，在航空航天和军事领域的热防护材料中备受关注。然而，传统CBCF复合材料普遍存在面内导热能力有限的问题，使其在极端温度梯度下的应用受到限制。

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成果掠影

近日，北京理工大学徐宝升团队提出了一种导热隔热多功能设计策略。将高导热层引入CBCF复合材料中，实现了在保证厚度方向的隔热性能外提升了垂直厚度方向的热疏导，从而实现了防热材料的高效热管理。开发了一种碳氮化硅（SiBCN）陶瓷改性CBCF复合材料的新方法，采用聚合物浸渍热解法（PIP）制备了SiBCN陶瓷基改性CBCF/SiBCN复合材料，所制备的复合材料兼具轻质与优异的定向热疏导能力(面内热导率达 60.9–61.5 W/mK，隔热方向0.08 W/(m·K))，展示了典型的各向异性，并表明有效的热管理的巨大潜力，为飞行器热防护提供新方案。研究成果以“Lightweight SiBCN-modified carbon-bonded carbon fiber composites with directional heat-leading function for efficient thermal protection”为题发表在《Journal of Advanced Ceramics》期刊。

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图文导读

图1.CBCF/SiBCN复合材料制备过程示意图

图2.SiBCN陶瓷前驱体聚硼硅氮烷（PBSZ）表征及热解工艺研究：(a)不同热处理温度后PBSZ红外光谱。(b)不同固化剂用量的热重曲线。(c,d)热重–质谱曲线。(e)在1000°C、1200°C、1400°C和1600°C氩气气氛退火1小时的SiBCN陶瓷XRD。SiBCN陶瓷的XPS光谱：(f)XPS总谱；(g1)Si 2p；(g2)C 1s；(g3)N 1s；(g4)B 1s。

图3.CBCF/SiBCN复合材料微观形貌分析：(a-c)SiBCN陶瓷TEM。复合材料SEM：(c)面内方向，(d)SiBCN陶瓷的EDS分析，(e-f)厚度方向方向。

图4.(a) CBCF/SiBCN复合材料压汞曲线和孔径分布，(b)氩气和空气条件热重曲线，(c)复合材料密度。(d)实物照片。

图5.(a) CBCF/SiBCN 样品中纤维取向分布特征的示意图。(b) XY和Z样品中载荷方向与典型纤维取向之间的关系。

图6.CBCF/SiBCN复合材料压缩力学行为分析：(a)含单层0.1mm导热层样品应力-应变曲线及与碳骨架的曲线的对比。(b-c)XY和Z样品应力-应变曲线。(d-e)XY和Z样品压缩强度和压缩模量。