武汉理工大学 Comp. Part B|Si-Zr陶瓷涂层碳纤维增强酚醛气凝胶复合材料的高温抗氧化及抗烧蚀性能
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DOI：10.1016/j.compositesb.2026.113420
通讯作者：黄文超研究员，杨雪媛教授
研究背景
酚醛浸渍碳烧蚀材料具有密度低、导热系数小和优良的烧蚀性能等特点，但其碳纤维增强体在高温有氧环境下易发生氧化（起始于400°C以上），且酚醛树脂基体在高温下热稳定性不足，在气动烧蚀条件下容易引发严重的机械剥蚀和热化学侵蚀，这限制了其在更极端热环境下的可靠性和使用寿命。以往研究尝试通过施加耐高温涂层或直接向树脂中添加陶瓷颗粒来改善性能，但前者工艺复杂，后者则因陶瓷填料在有机树脂中分散性差、易团聚而影响复合材料的结构完整性与性能均匀性。
创新点
该研究通过两步溶胶-凝胶法在碳纤维表面构建Si-Zr二元陶瓷涂层，进而制备出Si-Zr陶瓷涂层碳纤维增强酚醛气凝胶复合材料（SaZb-CF/PA），SiO₂-ZrO₂陶瓷涂层通过原位生成的方式均匀包覆在每根碳纤维表面，从而在复合材料中构建出连续、完整的抗氧化屏障。这种结构设计不仅有效避免了陶瓷相的团聚问题，确保了改性剂在复合材料中的均匀分布，而且在烧蚀过程中能在纤维表面形成致密且连续的富SiO₂-ZrO₂陶瓷层，显著阻碍氧扩散并耗散热量。结果表明，该复合材料在保持低密度和较高压缩强度的同时，其高温抗氧化性能和抗烧蚀性能均得到显著提升。
图文速览
表1 SaZb-CF配方
图1 SaZb-CF/PA复合材料的制备工艺与宏微观结构:(a)-(c) 两步溶胶-凝胶法示意图;(d)-(e) Si-Zr杂化网络与酚醛树脂（PR）气凝胶的形成机理;(f) S1Z2-CF/PA 复合材料的宏观数码照片;(g)-(h) 分别为S1Z1-CF与S1Z1-CF/PA的扫描电镜图像
图2 SaZb-CF与SaZb-CF/PA复合材料的微观结构形貌: (a) S1Z0-CF的扫描电镜图像;(b) S1Z2-CF的扫描电镜图像与元素分布图;(c)-(e) 不同放大倍数下S1Z2-CF/PA的扫描电镜图像
图3 SaZb-CF/PA复合材料的化学成分分析：(a) FTIR谱图：(b) 全扫描XPS图谱，以及(c)-(f) S1Z2-CF/PA的高分辨XPS C 1s、O 1s、Si 2p和Zr 3d能谱
SaZb-CF/PA复合材料的力学与热学性能:(a) XY方向压缩性能;(b) Z方向压缩性能。
(c) 压缩强度;(d) 导热系数与密度
图5 SaZb-CF/PA复合材料的抗氧化与抗烧蚀性能：(a) SaZb-CF/PA复合材料在空气中的热重曲线；(b) SaZb-CF/PA复合材料在空气中的微分热重曲线；(c) 热解后CF的扫描电镜图像；(d) 热解后S1Z2-CF的扫描电镜图像；(e) 热解后S1Z2-CF的元素分布图；(f) SaZb-CF/PA样品烧蚀前后的宏观照片；(g) 线烧蚀率与质量烧蚀率
图6 烧蚀后S1Z2-CF/PA复合材料的表面形貌：(a)-(b) 烧蚀层的扫描电镜图像；(c) 烧蚀层的元素分布图；(d) 碳化层的扫描电镜图像；(e)-(f) 原始层的扫描电镜图像
图7 烧蚀后SaZb-CF/PA复合材料的相演变：(a) 烧蚀前的X射线衍射图谱；(b) 烧蚀后的X射线衍射图谱；(c) 烧蚀后S1Z2-CF/PA的高分辨率Si 2p XPS谱图；(d) 烧蚀后S1Z2-CF/PA的高分辨率Zr 3d XPS谱图
图8 SaZb-CF/PA复合材料的烧蚀机理
