基于轻质硅气凝胶的陶瓷复合材料，兼具非烧蚀性和烧蚀性特性，适用于可重复使用的热防护系统

《Chemical Engineering Journal》：Lightweight silicone aerogel-based ceramic composite with integrated non-ablative and ablative characteristics for reusable thermal protection system

柔性陶瓷复合材料在可重复使用热防护系统中的应用研究。通过将莫来石纤维增强陶瓷（RFC）与高强有机硅气凝胶复合制备新型材料SACC，显著提升其抗压强度至2.6MPa（RFC的3倍），实现1400℃非烧蚀和2000℃低烧蚀特性（3.5μm·s?1）。材料经10次1000℃热循环后仍保持3.6%以下质量损失和尺寸稳定性，有效解决传统非烧蚀材料脆性大和烧蚀速率高的问题，为可重复使用航天器热防护提供新方案。

　　近年来，随着航空航天技术的飞速发展，高超音速飞行器在进入或再入大气层时面临极端的热环境。这种热环境主要由可压缩边界层的耗散以及速度超过五倍音速时的粘性相互作用所引起。为了保障飞行器的安全，先进的热防护系统（TPS）成为不可或缺的组成部分。TPS不仅要具备优异的热绝缘性能，还需在高温下保持结构的完整性，同时具备抗烧蚀能力，以应对复杂的空间环境。在这一背景下，研究者们不断探索新的材料体系，以满足飞行器在多次热循环中的可靠性要求。

传统上，刚性纤维陶瓷（RFCs）因其低密度和良好的高温稳定性被广泛应用于热防护系统。RFCs的结构由二氧化硅、氧化铝以及铝硼硅酸盐纤维在离散节点处烧结形成，具有80-90%的孔隙率，能够在长时间的氧化环境中维持机械性能。为了进一步提升其热发射率并扩大使用温度范围，RFCs通常会被涂覆具有高发射率的涂层，如钼硅化物（MoSi?）、碳化硅（SiC）和硅硼化物（SiB?）。然而，RFCs的机械性能存在明显缺陷，其脆性导致在受到冲击时容易发生结构破坏，同时其微米级的孔隙结构也增加了气体热传导，削弱了整体的热绝缘能力。此外，高发射率涂层在超过800摄氏度时容易发生氧化失效，并因热膨胀系数与陶瓷基体的不匹配而产生剥落，影响其辐射冷却和保护功能。

面对这些问题，研究者们开始关注轻质陶瓷烧蚀材料（LCAs），这类材料通过将陶瓷纤维与有机基体结合，能够克服传统RFCs的局限。例如，酚醛浸渍碳烧蚀材料（PICA）采用刚性碳纤维预制件（FiberForm）浸渍纳米分散的酚醛树脂基体，成功应用于“星尘”和“太空探索者龙”等任务，有效缓解了极端热流（q > 400 W·cm?2）的影响。然而，PICA的有机酚醛基体在400摄氏度以上的空气中迅速氧化，导致结构强度严重下降，难以承受多次热循环的考验。而硅树脂浸渍可重复使用陶瓷烧蚀材料（SIRCA）则采用低密度二氧化硅纤维板浸渍硅树脂，相较于PICA具有更优异的热循环性能，可以在重复暴露下保持结构完整性。但SIRCA的硅树脂基体在400摄氏度以上会发生显著的热分解，释放挥发性物质，导致质量损失超过20%，影响其热绝缘和尺寸稳定性。同时，其固有的低杨氏模量（0.1-0.3 GPa）严重限制了其承载能力，难以应对高超音速飞行时的气动载荷。

为了进一步提升热防护材料的综合性能，研究团队提出了一种基于硅树脂气凝胶的陶瓷复合材料（SACC）。该材料通过将多孔莫来石RFC与高强度有机硅气凝胶（OA）复合，实现了非烧蚀稳定性和烧蚀恢复性的协同提升。SACC不仅继承了RFC的低密度和高温稳定性，还通过有机硅气凝胶的引入显著增强了其机械强度、热绝缘性能和抗烧蚀能力。实验结果显示，SACC的压缩强度比RFC提升了300%，达到了2.6 MPa，这主要得益于有机硅气凝胶对纤维连接区域的保护作用，以及其在高温下的结构稳定性。此外，SACC在10次1000摄氏度辐射加热（每次1000秒）后，质量损失仅为3.6%，且尺寸变化几乎为零，表现出优异的热循环性能。而在2000摄氏度下，SACC展现出极小的线性烧蚀速率（3.5 μm·s?1），这归因于有机硅气凝胶在高温下的原位陶瓷化过程，使其能够在极端条件下实现有效的热防护。

SACC的优异性能来源于其独特的结构设计。有机硅气凝胶具有纳米级的多孔结构，这不仅有助于提升材料的热绝缘能力，还能在高温下保持结构的完整性。同时，有机硅气凝胶与陶瓷纤维之间的强界面结合增强了材料的机械性能，使其在受到冲击时具有更高的抗破坏能力。通过这一设计，SACC能够在不牺牲轻质特性的前提下，同时具备高温稳定性和烧蚀恢复性，成为新一代可重复使用飞行器（RLVs）热防护系统的理想选择。

为了验证SACC的性能，研究团队对其进行了系统的测试和分析。首先，通过原位X射线微CT技术观察了材料的内部结构变化，发现有机硅气凝胶能够有效保护纤维连接区域，避免因高温导致的结构破坏。其次，通过高温辐射加热实验评估了材料的热绝缘性能和热循环能力，结果表明SACC在10次1000摄氏度加热后，质量损失和尺寸变化均控制在极低范围内，显示出良好的稳定性。最后，通过烧蚀测试分析了材料的抗烧蚀性能，结果表明SACC在2000摄氏度下表现出极小的线性烧蚀速率，这进一步证明了其在极端条件下的可靠性。

SACC的开发不仅解决了传统RFCs和LCAs在机械性能、热绝缘和抗烧蚀方面的不足，还为未来热防护材料的设计提供了新的思路。通过将刚性纤维陶瓷与有机硅气凝胶结合，SACC实现了非烧蚀稳定性和烧蚀恢复性的协同优化，使其能够在多次热循环中保持良好的性能。这一成果对于推动可重复使用飞行器的发展具有重要意义，特别是在降低飞行器生命周期成本和提高热防护系统可靠性方面。

此外，SACC的制备过程也值得关注。通过使用聚甲基甲氧基硅烷（PMMS）和多烷氧基多面体低聚硅烷（POSS）作为前驱体，研究团队成功制备了高强度的有机硅气凝胶基体。这一基体能够在短时间内通过水解缩聚反应形成透明凝胶，为后续的复合材料制备提供了良好的基础。同时，通过将多孔莫来石RFC与有机硅气凝胶复合，研究团队实现了材料结构的优化，使其能够在高温下保持稳定的性能。这一制备方法不仅提高了材料的性能，还为未来的热防护材料开发提供了可行的路径。

在材料的性能评估方面，研究团队采用了多种方法，包括机械性能测试、热绝缘测试、烧蚀测试和热循环测试。机械性能测试显示，SACC的压缩强度比RFC提高了300%，这主要得益于有机硅气凝胶对纤维连接区域的保护作用。热绝缘测试表明，SACC在高温下表现出优异的绝缘性能，质量损失和尺寸变化均控制在较低范围内。烧蚀测试结果显示，SACC在2000摄氏度下表现出极小的线性烧蚀速率，显示出良好的抗烧蚀能力。热循环测试进一步验证了SACC的稳定性，表明其在多次高温加热后仍能保持良好的性能。

综上所述，SACC作为一种新型的热防护材料，其独特的结构设计和优异的性能使其在未来的航空航天领域具有广阔的应用前景。通过将刚性纤维陶瓷与高强度有机硅气凝胶结合，SACC实现了非烧蚀稳定性和烧蚀恢复性的协同优化，为新一代可重复使用飞行器的热防护系统提供了可靠的解决方案。这一研究成果不仅推动了热防护材料的发展，还为提高飞行器的性能和安全性提供了新的思路和方法。