【论文推荐】国防科技大学冯坚团队：炭气凝胶隔热材料研究进展

背景介绍

新型高速航天飞行器的不断发展对耐高温、轻质、高性隔热材料提出了需求迫切。炭气凝胶具有低密度、低热导率及耐超高温、高红外比消光系数等优点，使其作为耐超高温高性能隔热材料具有显著优势。炭气凝胶于1989年由Pekala等首次以间苯二酚-甲醛为前驱体制得酚醛有机气凝胶，再经高温裂解得到。但所得炭气凝胶的力学强度较差且制备工艺复杂，因此，如何简化制备工艺、提高炭气凝胶的力学性能等仍是重要挑战。本文结合本课题组在气凝胶隔热材料方面的研究经验，在阐述炭气凝胶隔热性能研究的基础上，总结了国内外炭气凝胶隔热材料制备工艺及性能优化的研究进展，并对其未来发展方向进行展望。

炭气凝胶隔热性能研究进展

在一定环境条件下，炭气凝胶的隔热性能主要与其密度和结构组成（粒径、孔径及孔隙率等）密切相关。其中，通过减小气凝胶密度、孔径、粒径和颗粒接触面积及纤维增强体的直径和密度，可有效降低炭气凝胶的常温热导率。对于高温隔热应用，密度应＜0.15 g/cm³，此时炭气凝胶700 ℃热导率≤0.1 W/(m?K)。

炭气凝胶隔热材料制备工艺及性能优化研究进展

力学性能增强

炭纳米颗粒之间的弱连接使炭气凝胶质脆易碎、强韧性较差，为此，常需在炭气凝胶内部引入增强相等以提升其力学性能。通过引入炭泡沫、纤维及石墨烯等，可有效提高炭气凝胶的机械强度、改善其固有脆性。其中，相较于炭泡沫及石墨烯，纤维增强更能显著提高炭气凝胶的韧性和力学强度，压缩强度可达80 MPa（0.6 g/cm³），且纤维间可被炭气凝胶隔开，减少接触，从而降低纤维间固态热传导。

耐烧蚀抗氧化

炭气凝胶暴露在超过450 ℃氧化气氛中时会迅速氧化失重，引发氧化失效。通过原位共聚或后期浸渍在炭气凝胶基体的内部或表面引入陶瓷相可以提高炭气凝胶的抗氧化及耐烧蚀性能，并使其兼具耐1900 ℃超高温特性。

低成本

炭气凝胶较高的原材料成本（如间苯二酚）、制备过程中的长周期溶剂置换及复杂且高成本的超临界干燥工艺，限制了其产业化应用。采用工艺优化、添加模板及添加剂等方式，可以实现炭气凝胶的常压干燥制备，从而有效降低了炭气凝胶隔热材料的生产成本。

超轻超弹

无定形炭气凝胶一般密度较大且弹性较差。通过石墨烯、碳纳米管等低维纳米炭材料自组装形成三维网络凝胶，可得到具有超轻超弹特性的炭气凝胶，但碳纳米管及石墨烯本身具有极高热导率。利用气凝胶内部的杂质、缺陷，界面热阻和接触热阻，以及气凝胶结构的定向控制等方法，可以获得具有极低常温热导率（0.00575 W/(m•K)）的超轻超弹炭气凝胶。

存在的问题

（1）炭气凝胶的密度、结构及增强体的性质对炭气凝胶高温热导率的影响规律，特别是对其高温辐射热导率的影响规律，尚缺乏理论计算与实验研究；

（2）炭气凝胶的力学性能增强与隔热性能提升存在一定矛盾；

（3）炭气凝胶的抗氧化及耐烧蚀性能的表征手段与材料实际工况存在较大差距；

（4）低成本制备的炭气凝胶的隔热性能与超临界的炭气凝胶仍存在一定差距；

（5）尚未研究超轻超弹炭气凝胶的高温隔热性能。

未来研究方向

（1）在隔热性能研究方面，应重点加强炭气凝胶高温热导率的理论计算研究，明确结构等因素对炭气凝胶高温热导率的影响规律，并在此基础上开展详细的实验研究；

（2）在力学性能提升方面，应结合炭气凝胶实际使用环境及产品技术指标，平衡热约束和机械约束之间的矛盾，实现炭气凝胶隔热材料的结构设计；

（3）在耐烧蚀/抗氧化方面，应结合产品实际工况完善相应的考核方式，为产品的实际应用提供更为真实的性能指导；

（4）在低成本研究方面，应加强酚醛树脂/HMTA体系的结构调控，缩短常压干燥与超临界干燥炭气凝胶隔热性能之间的差距；

（5）在超轻超弹炭气凝胶隔热材料方面，应加强大尺寸样件的制备并完善高温隔热性能的研究；

（6）在应用研究方面，后续应积极推广炭气凝胶在民用领域的研究应用、完善其性能考核内容并明确其使用边界，以及推进炭气凝胶相关标准的建立。

国防科技大学气凝胶隔热材料研究团队成立于2001年，团队面向我国高速飞行器发展迫切需要解决的防隔热关键难题，主要开展纳米多孔气凝胶隔热材料基础理论与应用技术研究。目前在气凝胶隔热材料产品方面己经形成完备的体系，包括聚酰亚胺、SiO₂、Al₂O₃、SiCO、Al₂O₃-SiO₂、炭、有机-无机杂化等气凝胶，使用温度覆盖从极低温-196 ℃超高温2000 ℃很宽的温度范围，能够满足不同应用场合的需求。团队的研究成果极大推动了气凝胶隔热材料实际应用于我国新型高速飞行器，目前己实现科技成果转化项目2项。

原文出处：

门静, 王鲁凯, 冯军宗, 姜勇刚, 李良军, 冯坚. 炭气凝胶隔热材料研究进展[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.