《Polymer》：Linking fiber-dependent char architecture to ablation resistance in silicone rubber composites under coupled thermo-mechanical-oxidative loading
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•在耦合烧蚀与应变条件下揭示了纤维依赖性炭结构。•碳纤维形成了坚固的三维炭骨架，质量烧蚀率最低。•在0%和10%应变条件下，碳纤维炭保留了最高的压缩强度。•有机纤维炭显示出较低的拉曼ID/IG比值，但压缩强度较低。•炭的完整性反映了骨架连续性和碳有序度。引言近年来，深空探索日
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在耦合烧蚀与应变条件下揭示了纤维依赖性炭结构。
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碳纤维形成了坚固的三维炭骨架，质量烧蚀率最低。
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在0%和10%应变条件下，碳纤维炭保留了最高的压缩强度。
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有机纤维炭显示出较低的拉曼ID/IG比值，但压缩强度较低。
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炭的完整性反映了骨架连续性和碳有序度。
引言
近年来，深空探索日益受到关注，这不断推动着航空航天技术的发展[1]。高超声速飞行器在大气再入过程中经历极高的飞行速度，导致与大气摩擦产生强烈的气动加热，温度可达数千摄氏度[2]、[3]。这种超高温会直接损坏飞行器表面和内部组件，从而威胁飞行安全[4]、[5]。因此，热防护系统（TPS）对于确保航空航天器的运行可靠性至关重要[6]、[7]、[8]。值得注意的是，柔性热防护材料表现出优异的弹性变形能力和高断裂伸长率，使其适用于先进飞行器的特殊服役环境[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。其出色的柔韧性、粘附性、热稳定性和烧蚀抗性能有效抵抗高温热流的侵蚀和磨损，从而保证飞行器的安全运行[14]、[15]、[16]。
基于硅橡胶的柔性烧蚀材料由于其对复杂结构的良好贴合性和出色的隔热性能而受到广泛关注，在可变形飞行器中显示出巨大潜力。硅橡胶的主链由Si–O–Si键组成，使其兼具有机和无机聚合物特性[17]、[18]。与大多数碳基聚合物相比，硅橡胶具有更优异的抗氧化性、柔韧性和热稳定性[19]、[20]，使其成为极端热环境下热防护的有前景的候选材料[21]、[22]。然而，纯硅橡胶在炭化过程中存在严重收缩和低强度问题，使其难以独立形成高质量的炭层[23]、[24]、[25]。因此，与高性能填料和纤维复合已被广泛采用以提高硅橡胶基体的炭化率和机械强度[26]。目前，硅橡胶基烧蚀复合材料中的典型增强纤维包括碳纤维[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、玻璃纤维（石英纤维）[32]、[33]、[34]、芳纶纤维[35]、[36]等。无机纤维在高温烧蚀后可形成坚固完整的炭骨架，而耐高温有机纤维在分解后留下富碳残余物，也有助于提高炭层的质量[26]、[37]。
大量研究聚焦于硅橡胶基材料的增强策略，近年来增强架构在碳-酚醛和碳-弹性体烧蚀材料中的作用已被详细综述[38]。例如，Ji等人阐明了碳纤维骨架如何主导硅橡胶基复合材料的烧蚀行为[39]，而Zhang等人比较了环氧改性乙烯基硅橡胶中的几种增强纤维，并对其对炭化率和烧蚀抗性的贡献进行了排序[35]。然而，此类比较是在未变形试样上进行的。最近，Lu等人在20%拉伸应变下研究了硅橡胶，表明施加的应变会严重损坏烧蚀材料[40]，但该项工作仅涉及单一增强材料，而非不同纤维类型之间的比较。因此，增强纤维类型如何主导炭层架构，以及由此产生的架构与同时承受机械应变、热载荷和氧化载荷下的烧蚀抗性和结构稳定性之间的关系，仍有待深入理解。
受上述进展启发，通过碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、PBO纤维和聚酰亚胺纤维五种纤维的混合改性制备了甲基乙烯基硅橡胶复合材料。进行了热通量为1 MW/m2的氧乙炔烧蚀试验，以揭示不同纤维增强硅橡胶复合材料在0%和10%拉伸应变下的烧蚀演变。比较了不同应变条件下无机纤维和有机纤维改性体系的烧蚀率和力学性能。全面表征了炭层的组成和强度。通过比较无机纤维和有机纤维形成的不同炭结构，本工作将纤维依赖性炭架构与热-机械-氧化耦合载荷下的炭机械完整性和烧蚀抗力联系起来，为可变形热防护系统的增强材料选择提供了依据。
章节摘要
材料
平均长度为3毫米的短切碳纤维（CF，UTS50）购自上海立朔复合材料科技有限公司（中国）。长度为3毫米的玻璃纤维（GF）购自东莞鹏宇包装材料有限公司。长度为3毫米的芳纶纤维（AF）、对苯撑苯并二噁唑（PBO）纤维（PBOF）和聚酰亚胺纤维（PIF）购自湖北嘉腾纺织有限公司。气相二氧化硅（SiO2，AEROSIL 200）购自德古萨化学（上海）有限公司。
热降解性能
改性纤维的热稳定性、炭化率和分解温度是直接决定材料在极端热环境中烧蚀抗性的核心参数。为研究增强纤维对硅橡胶基烧蚀复合材料的潜在改性效果，分别在氮气和空气气氛下对五种增强纤维——碳纤维（CF）、玻璃纤维（GF）、芳纶纤维（AF）、PBO纤维（PBOF）和聚酰亚胺纤维（PIF）——进行了热重分析（TGA）。结果如图 所示。
结论
本工作比较了在热、机械和氧化耦合载荷下，每种100克甲基乙烯基硅橡胶（VMQ）中纤维体积分数大致相当的纤维增强复合材料（五种）的炭层架构、炭层强度和烧蚀响应。碳纤维和玻璃纤维在氮气中保留了高质量分数，但在空气中行为不同；PBOF在三种有机纤维中表现出最高的热稳定性。VCF表现出最低的质量烧蚀率，在0%应变下为0.054 g/s。
CRediT作者贡献声明
Yang Gao（高阳）：撰写——初稿，方法论，调研，形式分析，数据整理，概念化。 Yaoqun Yue（岳耀群）：方法论，调研，形式分析，数据整理。 Liwei Yan（严立伟）：撰写——审阅与编辑，指导。 Yikai Xing（邢一凯）：方法论，调研。 Yue Tian（田跃）：方法论，调研。 Zhengguang Heng（衡正广）：指导。 Yang Chen（陈洋）：撰写——审阅与编辑，指导。 Mei Liang（梁梅）：指导。 Huawei Zou（邹华卫）：指导，资源，概念化。
利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
作者感谢四川大学分析测试中心王辉在SEM表征方面提供的帮助。
高阳|岳耀群|严立伟|邢一凯|田跃|衡正广|陈洋|梁梅|邹华卫
