分子尺度调控硅烷相结构演变与含量实现高抗烧蚀硅酚杂化涂层

针对硅酚杂化材料(SPHs)因相分离、机械强度不均及组分热降解差异导致的抗烧蚀性能瓶颈，研究人员通过共价接枝含席夫碱的有机硅烷(ATSD)和甲基三乙氧基硅烷(MTES)到硼酚醛树脂(BPR)骨架，构建分子尺度均匀的杂化体系。最优样品线性和质量烧蚀率较BPR分别降低94.2%和21.3%，为新一代热防护材料设计提供新思路。

　　

在航天器再入大气层或高超音速飞行时，热防护材料(ATPMs)需要承受极端热化学负荷。酚醛树脂(PR)基复合材料因其优异的耐热性和成炭性被广泛应用，但传统PR面临相分离、机械强度不均等问题。更严峻的是，随着航天探索需求升级，现有材料已无法满足新一代飞行器对冲击、振动和热载荷的综合抵抗要求。虽然通过添加二氧化硅、碳化硅等陶瓷填料可提升抗烧蚀性，但物理共混导致的界面相容性差、分散不均等问题制约了性能突破。化学改性虽能引入硅(Si)、硼(B)等耐高温元素，但有机-无机相的精确调控仍是巨大挑战——硅醇(Si-OH)与酚羟基(Ph-OH)反应温度窗口窄，且硅烷水解缩聚反应难以控制。

针对这一系列难题，四川某高校团队在《Progress in Organic Coatings》发表研究，创新性地采用含席夫碱的有机硅烷(N-(三乙氧基甲硅烷基丙基)水杨醛亚胺，ATSD)与甲基三乙氧基硅烷(MTES)作为硅源，通过乙醇调控反应动力学，成功将硅相共价接枝到硼酚醛树脂(BPR)骨架上，制备出无相界面的均质杂化材料(SBPR)。关键技术包括：利用ATSD和3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)优化界面相互作用，通过²⁹Si NMR和FTIR证实Si-O-Ph/Si-O-B键的形成；采用氧乙炔焰测试烧蚀性能，结合XRD、XPS分析炭层相组成；通过SEM观察微观形貌演变。

【Structural characterization】部分显示，FTIR谱图中960 cm^?1和890 cm^?1处分别出现Si-O-Ph和Si-O-B特征峰，²⁹Si NMR中T²/T³峰面积比证实可控缩聚程度。XRD证明杂化后无晶相分离，DSC显示固化温度降低约20°C。

【Ablation performance】结果表明，含15%硅烷的SBPR-15线性烧蚀率仅0.031 mm/s，质量烧蚀率0.034 g/s，较BPR分别降低94.2%和21.3%。炭层SEM显示SBPR形成连续致密的SiO₂保护层，而BPR炭层存在明显裂纹。

结论指出，该工作通过分子设计实现了硅酚杂化材料的精准相调控，创制的材料兼具优异抗烧蚀性和机械强度。其意义在于：首次阐明硅烷含量与烧蚀行为的定量关系；提出的"反应动力学解耦"策略为其他杂化材料合成提供普适方法；开发的材料在航天器热防护系统中有直接应用前景。研究获得国家重点实验室和四川省自然科学基金支持，相关技术已申请专利保护。