强韧柔性TiC-SiC纤维膜：实现极端环境下长期超高温稳定的传感新突破

《Nano-Micro Letters》：Strong yet Flexible TiC-SiC Fibrous Membrane with Long-Time Ultrahigh Temperature Resistance for Sensing in Extreme Environment

本工作针对极端环境传感需求，成功研制出兼具优异力学性能与超高温稳定性的TiC-SiC柔性陶瓷纤维膜。通过分子结构设计与多尺度工艺调控，材料在惰性气氛中耐受2000°C超高温并保持1800°C下5小时长期热稳定性，氧化后强度仍达1.8 MPa。其独特压力传感性能在1800°C热处理后仍稳定循环300次，填补了极端环境用柔性纤维传感器的研究空白。

　　

在航空航天发动机、航天飞行器智能消防等极端环境领域，对能够承受动态变形、氧化和超高温（~2000°C）的压力传感器需求日益迫切。传统传感器因本征脆性难以在频繁变形环境中稳定工作，而新兴的聚合物基柔性传感器在高温环境下会出现性能严重退化甚至完全失效。虽然MXene基和碳材料因其低密度、高灵敏度等特性被广泛探索，但其弱高温稳定性限制了在含氧环境中的广泛应用。因此，开发同时具备良好柔性和优异热稳定性的压力传感器成为亟待解决的难题。

陶瓷超细纤维材料因其优异的热稳定性和抗氧化性被视作实现恶劣环境传感功能的理想候选材料。然而现有陶瓷纤维压力传感器虽能抵抗动态变形，但有限的高温耐受性（≤800°C）和较差的机械性能仍难以满足高温应用场景的实际需求。开发兼具高温稳定性和良好机械性能的陶瓷纤维压力传感器仍是当前研究面临的迫切难题。

在这项发表于《Nano-Micro Letters》的工作中，研究人员通过分子结构设计成功将钛元素引入聚钛碳硅烷前驱体，采用多步制备法原位生成TiC，最终制备出TiC增强的SiC（TiC-SiC）纤维膜。作为第二晶相，TiC随机分布在SiC纤维中，有利于诱导裂纹偏转、阻碍裂纹不稳定扩展，同时增加长丝缠结，使纤维膜强度提升至2.1 MPa。更重要的是，TiC有效抑制了超高温环境下SiC的异常晶粒生长，将TiC-SiC纤维膜的热稳定性提高至2000°C。

关键技术方法包括：通过电纺丝技术制备聚合物纤维膜，优化纺丝电压、液体推进速度和纺丝湿度等参数；采用空气固化实现Si-H键交联；在氮气气氛中1300°C热解实现有机-无机转化；最后在氩气气氛中1800°C烧结获得最终产物。通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）等技术系统表征了材料结构与性能。

3.1 柔性TiC-SiC纤维膜的制备

通过精确的多尺度工艺控制，成功制备出高强度（2.1 MPa）TiC-SiC柔性纤维膜。XPS分析表明主要组成元素为硅、碳、氧和钛，Ti 2p谱中461.3和455.5 eV处的明显峰归属于Ti-C键。XRD图谱显示β-SiC和TiC的衍射峰，表明纤维由SiC和TiC晶粒组成。该膜表现出轻质特性（~15 mg cm^-3）和优异柔韧性，即使360度扭曲后仍能恢复原状。

3.2 力学性能

TiC-SiC纤维膜表现出卓越的力学性能，可承载超过5600倍自身重量的负荷。TiC-SiC-3纤维膜的平均强度（1.66 MPa）是所有膜中最高的。其高强度归因于多尺度结构特征：TiC-SiC-3纤维内部孔隙减少，致密化程度提高；TiC纳米粒子通过"钉扎效应"偏转裂纹；表面粗糙度显著增加纤维间摩擦力；纤维直径分布均匀（约600 nm）且紧密缠绕。

3.3 高温稳定性

TiC-SiC纤维膜在1800-2000°C的氩气气氛中表现出优异的热稳定性。即使在2000°C处理后，纤维表面和横截面形态也无明显变化，特别是能够长期耐受1800°C高温5小时，优于文献报道的其他纤维膜。XRD图谱证实了晶相的热稳定性，1900°C处理1小时后重量损失仅1.8%，最大强度仍保持1.1 MPa。所有热处理后的膜均保持良好的柔韧性。

高温耐受机制涉及多个因素：制备过程中预先调节SiC_xO_y相的分解，伴随氧含量消除（从2.93 wt%降至0.39 wt%）；TiC作为超高温相（熔点高达3000°C）在长期高温热处理过程中抑制SiC晶粒生长。

3.4 综合极端条件下的性能

TiC-SiC纤维膜在空气气氛中1200°C氧化1小时后，纤维中出现SiO₂和TiO₂相，但β-SiC仍是主要组分，氧化后强度仍达1.8 MPa。纤维在搭接处通过表面氧化层连接，有利于保持膜强度。低热导率（1400°C时为0.42 W m^-1K^-1）使其具备高温隔热性能。丁烷火焰（~1300°C）加热600秒后，冷端温度低于63°C。在丁烷火焰下弯曲后仍能恢复原状，表明优异柔韧性。

3.5 压力传感性能

TiC-SiC纤维膜在10%-90%应变范围内表现出良好的电阻响应信号，在0-0.43、0.43-14.03、14.03-76.38和76.38-240.25 kPa四个压力范围内的灵敏度分别为7.23、0.85、0.11和0.05 kPa^-1。响应时间和恢复时间分别为523 ms和440 ms。600次循环后仍保持优异的压力传感性能。1800°C热处理5小时后，仍表现出良好的电阻响应信号。丁烷火焰加热60秒后，仍保持良好的压缩传感性能。

基于TiC-SiC纤维膜组装的高温传感器在丁烷火焰连续烧蚀下，电阻随压缩明显变化，释放后恢复原值。这归因于电阻率在25-900°C温度范围内保持稳定。与文献报道的纤维膜相比，TiC-SiC纤维膜突破了当前纤维膜基压力传感器的工作极限，且无需任何基底封装即可确保优异的压力传感性能而不牺牲高温耐受性。

研究结论表明，基于分子设计和多步制备成功制备的TiC-SiC纤维膜，通过TiC钉扎到SiC基体中增强了材料强度（达2.1 MPa）。作为超高温相，TiC能够长时间抑制高温下SiC晶粒的异常生长，同时极低的氧含量（0.39 wt%）使膜在惰性气氛中具有卓越的热耐受性（2000°C）和长期热稳定性（1800°C下5小时）。该膜能承受约1400倍自身重量的载荷，在丁烷火焰（~1300°C）烧蚀1小时后仍保持完整，在1800°C热处理5小时后仍保持压力传感性能达300次循环。最重要的是，TiC-SiC纤维膜在高达900°C时表现出稳定的电阻率，并在丁烷火焰下显示传感稳定性。这些综合特性牢固确立了TiC-SiC纤维膜作为极端环境高温压力传感的变革性解决方案的地位。