基于增强体与基体收缩率匹配的大尺寸无裂纹碳气凝胶复合材料制备及力学性能调控

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Fabrication of large-sized robust carbon aerogel composites via pre-shrinkage-induced interfacial engineering

　　**摘要**我们报道了一种合成无裂纹碳气凝胶（CA）复合材料的策略，其核心思路是合理匹配粘胶纤维毡（VFs）与酚醛树脂（PR）气凝胶基体的碳化收缩率。将粘胶纤维毡在较高温度下进行预处理，使其产生可控的预收缩，随后通过原位溶胶-凝胶转变和常压干燥酚醛树脂前驱体，制备出大尺寸整体有机气凝胶。当选用265 °C的预处理温度时，纤维与基体在后续碳化过程中表现出几乎一致的收缩率（分别为26.2%和25.0%）。这种收缩率的匹配大幅降低了残余应力，使缺陷含量仅为2%，并形成了连续、梯度界面，无裂纹或孔隙。最优复合材料实现了106.9 MPa·g^?1·cm³和29.1 MPa·g^?1·cm³的比压缩强度和比弯曲强度，断裂韧性达到0.54 MPa·m^1/2，显著优于收缩率不匹配的复合材料。与传统未经预收缩的同类材料相比，该设计使残余应力降低91%，结构缺陷减少94%，比压缩强度和比弯曲强度分别提升了3.0倍和2.5倍，断裂韧性提高了2.3倍。该设计原理进一步被用于调控基体的微观结构和密度，即使在1800 °C下，材料仍保持结构完整性和优异的高温力学性能。本研究证明，控制增强体与基体之间的收缩相容性，为制备适用于苛刻结构和热应用场合的高性能、大尺寸碳气凝胶复合材料提供了一条通用途径。