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加快打造原始創(chuàng)新策源地,，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù),，努力搶占科技制高點(diǎn),，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿,、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國家重大需求,、面向人民生命健康,，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地,，率先建成國家高水平科技智庫,，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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科學(xué)家研發(fā)出高強(qiáng)韌碳?xì)饽z材料

2025-04-29 金屬研究所

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近年來,，中國科學(xué)院金屬研究所研究員湯素芳團(tuán)隊(duì)致力于碳?xì)饽z強(qiáng)韌性、抗氧化及大尺寸成型研究,，取得了系列進(jìn)展,。該團(tuán)隊(duì)在前期工作的基礎(chǔ)上，受天然生物材料多尺度復(fù)合和梯度過渡界面結(jié)構(gòu)的啟發(fā),，聯(lián)合研究員劉增乾,、張哲峰以及美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員提出了柔性有機(jī)纖維-有機(jī)氣凝膠基體的協(xié)同界面調(diào)控策略，并研制出高強(qiáng)高損傷容限大尺寸碳?xì)饽z材料,。

研究發(fā)現(xiàn),，聚丙烯腈纖維固有的柔韌性和熱軟化特性能夠促進(jìn)纖維基體干燥與炭化過程的協(xié)調(diào)變形，緩解殘余應(yīng)力,，并阻止界面脫粘,。同時(shí)，聚丙烯腈纖維表面豐富的氰基官能團(tuán)通過與前驅(qū)體溶液形成氫鍵,，促進(jìn)了兩者間的浸潤和粘附,。進(jìn)一步，研究通過原位界面反應(yīng)在纖維和有機(jī)氣凝膠基體之間形成化學(xué)鍵,，獲得了原子級(jí)結(jié)合的纖維/基體梯度過渡界面結(jié)構(gòu),。因此，制備的材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和隔熱能力,。

實(shí)驗(yàn)表明,，該材料壓縮強(qiáng)度高至90MPa，比壓縮強(qiáng)度達(dá)150MPa?g^-1cm³,，熱導(dǎo)率低至0.35W m^-1 K^-1以及斷裂韌性達(dá)1.01MPa?m^1/2,，與致密玻璃或核級(jí)石墨相當(dāng),。同時(shí)，該材料還具有穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展行為,，表現(xiàn)為上升的R曲線,，可耐約1.6t重汽車的碾壓而不發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞。

該研究開發(fā)出的高損傷容限碳?xì)饽z材料,，有望為新一代航空航天飛行器極端環(huán)境用熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供材料解決方案,。

近期，相關(guān)研究成果以Exceptionally strong and damage-tolerant carbon aerogel composite with high thermal stability and insulation為題,，發(fā)表在《今日材料》（Materials Today）上,。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國科學(xué)院及遼寧省等的支持,。

制備流程示意圖和微觀結(jié)構(gòu)照片

航空航天飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)要求隔熱材料具有優(yōu)異的超高溫隔熱能力與高損傷容限,，以應(yīng)對(duì)外界復(fù)雜的熱-力載荷。碳?xì)饽z因具有低密度,、低熱導(dǎo)率,、高比表面積以及出色的高溫?zé)岱€(wěn)定性等特點(diǎn)，是具有潛力的多功能熱防護(hù)材料,。但碳?xì)饽z獨(dú)特的微結(jié)構(gòu),，如固有高孔隙率、珠鏈狀碳顆粒搭接結(jié)構(gòu)等,，導(dǎo)致其本征脆性大,、力學(xué)強(qiáng)度低以及大尺寸構(gòu)件成型困難，限制了其工程化應(yīng)用,。近年來,，中國科學(xué)院金屬研究所研究員湯素芳團(tuán)隊(duì)致力于碳?xì)饽z強(qiáng)韌性、抗氧化及大尺寸成型研究,，取得了系列進(jìn)展,。該團(tuán)隊(duì)在前期工作的基礎(chǔ)上，受天然生物材料多尺度復(fù)合和梯度過渡界面結(jié)構(gòu)的啟發(fā),，聯(lián)合研究員劉增乾,、張哲峰以及美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員提出了柔性有機(jī)纖維-有機(jī)氣凝膠基體的協(xié)同界面調(diào)控策略，并研制出高強(qiáng)高損傷容限大尺寸碳?xì)饽z材料,。研究發(fā)現(xiàn),，聚丙烯腈纖維固有的柔韌性和熱軟化特性能夠促進(jìn)纖維基體干燥與炭化過程的協(xié)調(diào)變形，緩解殘余應(yīng)力,，并阻止界面脫粘,。同時(shí)，聚丙烯腈纖維表面豐富的氰基官能團(tuán)通過與前驅(qū)體溶液形成氫鍵,，促進(jìn)了兩者間的浸潤和粘附,。進(jìn)一步,，研究通過原位界面反應(yīng)在纖維和有機(jī)氣凝膠基體之間形成化學(xué)鍵，獲得了原子級(jí)結(jié)合的纖維/基體梯度過渡界面結(jié)構(gòu),。因此,，制備的材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和隔熱能力。實(shí)驗(yàn)表明,，該材料壓縮強(qiáng)度高至90MPa,，比壓縮強(qiáng)度達(dá)150MPa?g-1cm3，熱導(dǎo)率低至0.35W m-1 K-1以及斷裂韌性達(dá)1.01MPa?m1/2,，與致密玻璃或核級(jí)石墨相當(dāng)。同時(shí),，該材料還具有穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展行為,，表現(xiàn)為上升的R曲線，可耐約1.6t重汽車的碾壓而不發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞,。該研究開發(fā)出的高損傷容限碳?xì)饽z材料,，有望為新一代航空航天飛行器極端環(huán)境用熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供材料解決方案。近期,，相關(guān)研究成果以Exceptionally strong and damage-tolerant carbon aerogel composite with high thermal stability and insulation為題,，發(fā)表在《今日材料》（Materials Today）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì),、中國科學(xué)院及遼寧省等的支持,。制備流程示意圖和微觀結(jié)構(gòu)照片

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