受生物启发的碳/碳复合材料具有长效抗烧蚀性能，可用于高达2400°C的热防护

C/C复合材料通过模仿人类皮肤汗腺冷却机制和树木分层结构，采用选择性区域反应熔浸法及铜基导热杆协同设计，实现2400℃/4.18 MW/m2下720秒超长抗烧蚀性能，突破传统热防护材料局限。

　　
该研究聚焦于高超声速飞行器热防护材料的长期耐烧蚀性能提升，针对传统碳/碳（C/C）复合材料在极端工况下存在的表面温度累积与防护层失稳两大瓶颈问题，提出一种融合仿生学机制的创新设计策略。研究团队通过仿生学原理的跨学科整合，在材料制备工艺和微观结构设计层面实现双重突破，最终开发出具备720秒超长时防护能力的C/C复合材料体系。

**研究背景与挑战分析**
随着高超声速飞行器速度提升和任务时间延长，其热端部件需承受超过2400℃的极端温度环境。传统C/C复合材料在连续烧蚀过程中存在两大核心问题：其一，表面蓄热效应导致温度梯度失控，材料热应力集中引发结构失效；其二，被动防护层与主动冷却系统的协同不足，难以实现长时间稳定防护。现有技术多依赖单一防护策略，如纯化学改性或物理结构强化，导致在综合性能上存在局限。

**仿生学设计理念的跨领域整合**
研究团队从生物系统进化过程中提炼出双重仿生机制：
1. **人体皮肤散热机制**：通过皮肤汗腺的主动排热与毛发结构的辅助导热实现动态温控。这一机制启发了材料中"主动冷却-被动导热"协同设计，在C/C基体中构建具有方向性的热导通道（铜基复合材料）与周期性排热单元（硅化物梯度结构）。
2. **树木年轮结构分区**：借鉴树木木质部与韧皮部的功能分区特性，采用梯度材料设计实现不同区域的性能优化。核心区侧重抗烧蚀稳定性，边缘区强化排热效率，这种空间功能分区有效解决了传统均质材料在宽温域下的性能衰减问题。

**制备技术创新与结构特征**
研究团队开发了选择性区域反应熔融浸渍（SARMI）制备工艺，突破传统工艺的均匀性限制，实现材料成分与结构的定向调控：
- **梯度导热结构**：在C/C基体中定向形成铜基导热通道，通过毛细效应和重力作用实现熔体浸润的精确控制。铜元素不仅提升热导率（达320 W/m·K以上），其氧化产物更形成致密保护层。
- **功能分区设计**：采用"核心-边缘"双区结构，中心区采用ZrC-Cu复合陶瓷增强抗烧蚀性，边缘区通过SiC-Cu-Cu_xSi_y梯度复合实现高效热耗散。这种空间分布使材料在4.18 MW/m2超高温热流下仍能保持稳定性能。
- **动态防护机制**：创新性引入La?O?掺杂体系，通过调控相变过程在烧蚀表面形成连续致密的ZrO?陶瓷层（厚度>5μm），该保护层具备自修复能力，在循环烧蚀中仍能维持>90%的完整性。

**性能突破与工程验证**
实验测试表明，该仿生C/C复合材料在超极限工况下展现卓越性能：
- **超长时防护**：连续720秒承受2400℃高温（周期性热循环），烧蚀速率仅为0.57 mg/s，表面形貌无显著破坏
- **热管理效能**：通过导热通道将表面温度控制在1900℃以下（相比传统材料降低300℃+），成功抑制热应力裂纹扩展
- **循环稳定性**：经历18次烧蚀-冷却循环后，材料仍保持>95%的机械强度和>85%的氧化层完整性
- **经济性优势**：制备工艺简化了传统CLVD和RMI工艺的复合步骤，降低生产成本约40%

**技术突破点解析**
1. **多尺度协同设计**：从纳米级铜颗粒分布（<50nm）到宏观导热通道（直径50-200μm）的多尺度调控，实现热阻降低与应力分散的平衡
2. **自适应保护机制**：La掺杂诱导的相变过程（ZrO?→t-ZrO?→m-ZrO?）形成动态保护层，在2400℃时仍能保持>80%的致密度
3. **能量耗散创新**：边缘区的SiC-Cu-Cu_xSi_y复合层通过硅化物相变（吸热率>1.2 J/m3·°C）与铜基导热（热导率提升300%）的协同作用，实现单位面积热耗散量达15.6 kJ/m2·s

**工程应用前景**
该材料体系在多个航空热端部件中展现出应用潜力：
- **高超声速飞行器前缘**：解决曲率半径<1mm区域的烧蚀不均问题
- **再入舱热防护层**：通过周期性热冲击测试验证（循环次数>500次）
- **商业航天可重复使用**：经3次烧蚀-冷却循环后仍保持85%以上的防护效能

**技术经济性评估**
相较于传统W-Cu基复合材料（成本$120/kg），本体系通过工艺创新（SARMI工艺效率提升60%）和材料优化（ZrC替代部分碳纤维），使成本降至$75/kg，同时提升抗烧蚀性能3倍以上，具备规模化生产潜力。

**学术价值与产业影响**
该研究首次将仿生学中的"功能分区"概念引入热防护材料设计，建立"结构-性能-工艺"的协同优化模型。其成果为：
1. 提供超高温材料设计新范式（热导率+热耗散+氧化防护三维协同）
2. 开发具有自主知识产权的制备工艺（已申请2项国家发明专利）
3. 形成材料性能评价标准（建立包含12项关键指标的测试体系）

研究团队特别指出，该技术突破传统C/C复合材料需定期更换的局限，使防护系统寿命从目前的500小时提升至8000小时量级，为高超声速飞行器实现"重复使用+长航时"双重目标奠定材料基础。