碳纳米管纤维层状复合材料的协同设计：电磁屏蔽与高温抗烧蚀性能的突破

为解决极端环境下多功能复合材料性能不足的问题，研究人员通过化学气相渗透(CVI)技术将PyC、SiC和HfC基体相与碳纳米管(CNT)纤维复合，系统研究了其场发射特性(3.8 V·μm?1 )、拉伸强度(85.6 MPa)、导热系数(18.2 W·m?1 ·K?1 )和电磁屏蔽性能(41-43 dB)。该研究为航空航天领域耐高温多功能材料开发提供了新思路。

　　

在航空航天、国防军工等极端环境应用中，材料需要同时满足多重苛刻性能要求：既要承受上千摄氏度的高温烧蚀，又要具备优异的电磁屏蔽能力以应对复杂电磁环境。传统单一性能材料已难以满足这些需求，特别是当材料暴露在高温等离子体或强电磁场环境下时，往往出现结构失效或功能退化。如何通过材料体系创新实现高温稳定性与功能特性的协同提升，成为当前复合材料领域的重要挑战。

针对这一科学难题，研究人员开展了一项突破性研究，通过巧妙设计碳纳米管(CNT)纤维增强的多相层状复合材料，成功实现了电磁屏蔽性能与高温抗烧蚀能力的协同优化。这项发表在《Materials Characterization》的研究工作，为开发下一代耐极端环境多功能复合材料提供了重要理论依据和技术路径。

研究团队采用化学气相渗透(CVI)这一关键技术，在柔性CNT纤维网络中依次引入热解碳(PyC)、碳化硅(SiC)和碳化铪(HfC)三种基体相。通过系统表征不同复合体系的微观结构和性能关系，发现HfC相的引入使复合材料场发射开启电场提升至3.8 V·μm^?1
，同时通过增强CNT纤维网络的载荷传递效率，使拉伸强度达到85.6 MPa。特别值得注意的是，CNTF/SiC复合材料展现出18.2 W·m^?1
·K^?1
的纵向热导率和41-43 dB的优异电磁屏蔽性能。最令人印象深刻的是，在90秒丁烷火焰烧蚀测试中，所有三种层状复合材料均保持了完好的结构完整性。

在材料制备方面，研究采用化学气相渗透(CVI)这一核心技术，通过精确控制沉积参数，在CNT纤维网络中构建了多尺度界面结构。性能测试包括场发射测试系统、万能材料试验机、激光闪射法导热仪和矢量网络分析仪等先进表征手段。烧蚀实验采用标准丁烷喷枪，通过红外热像仪实时监测表面温度分布。

研究结果部分，"微观结构表征"显示三种基体相均匀包覆CNT纤维形成致密网络；"力学性能测试"证实HfC相的引入显著提升了界面结合强度；"热物理性能"部分显示SiC基复合材料具有最优异的纵向热传导能力；"电磁屏蔽性能"测试表明所有样品在X波段均保持40 dB以上的屏蔽效能；"高温抗烧蚀性能"通过烧蚀形貌分析揭示了HfC相形成的熔融-氧化保护机制。

讨论部分指出，该研究首次实现了CNT纤维复合材料中高温防护与功能特性的协同优化。通过多相基体设计，既保留了CNT纤维的本征优异性能，又通过陶瓷相引入解决了高温环境应用瓶颈。特别是HfC相的高熔点(约3900°C)和SiC相的优异抗氧化性形成了互补效应，为材料在超高温极端环境下的长期服役提供了保障。这项研究不仅拓展了CNT纤维在航空航天热防护系统中的应用前景，也为开发新一代智能防护材料提供了重要参考。