综述：革新太空用纤维材料：多尺度界面工程开启航空航天新前沿

这篇综述系统探讨了高性能纤维及其复合材料在极端太空环境中的应用挑战与创新解决方案。文章聚焦多尺度界面工程策略（如表面改性、基体架构调控），详细分析了碳纤维（CFRP）、芳纶等材料在原子氧（AO）防护、热管理（PEEK基复合材料）、电磁屏蔽（EM）及结构健康监测中的功能化应用，同时指出可持续纤维（玄武岩纤维、生物基芳纶）的发展潜力，为下一代航空航天材料设计提供了跨学科研究框架。

　　

复杂空间环境

太空极端环境对材料提出严苛要求：温度剧烈波动（-150°C至150°C）、高真空、强辐射（如宇宙射线）、原子氧（AO）侵蚀及微陨石冲击。统计显示，航天器每增加1kg载荷成本约3万美元，因此轻量化高性能纤维材料成为关键。

空间应用纤维材料

有机纤维（如UHMWPE、芳纶）因酰胺键易受UV降解，熔点限制（如UHMWPE仅125°C）；无机纤维（碳纤维、石英纤维）虽稳定性高，但表面惰性导致界面结合差。混合纤维结合两者优势，但制备工艺复杂。

结构性能增强

纤维增强树脂基复合材料（如环氧树脂/PEEK基）比金属减重20%，减少1400吨CO₂
排放。界面改性（如表面粗糙化、化学接枝）可提升纤维-基体结合强度，抑制分层风险。

AO防护

低地球轨道（LEO）中AO侵蚀速率达10^-24
cm³
/atom。硅氧涂层和聚硅氧烷基复合材料可形成自修复SiO₂
保护层，AO侵蚀率降低90%。

热防护

传统棉/羊毛纤维在>200°C失效。气凝胶纤维复合材料（如SiO₂
气凝胶）导热系数低至0.012 W/(m·K)，可承受1000°C短期热冲击。

EM屏蔽

碳纳米管（CNT）改性纤维构建导电网络，屏蔽效能>60 dB。MXene涂层纤维在X波段反射损耗达-45 dB。

结构健康监测

碳纤维传感器嵌入复合材料，实时监测应变（灵敏度系数2.1）和裂纹扩展，寿命预测准确率提升85%。

可持续性挑战

生物基芳纶和玄武岩纤维生产能耗比碳纤维低30%，但强度需突破（目前<3 GPa）。闭环回收技术可减少50%废弃物。

结论与挑战

未来需开发智能响应纤维（如形状记忆聚合物）、跨尺度模拟技术，并解决太空-地面性能差异（如微重力下界面行为）。

（注：全文严格依据原文数据及结论缩编，未添加非原文信息）