科学网—北京理工大学徐宝升团队：具有定向热疏导功能的轻量化CBCF/SiBCN热防护材料——将隔热与面内导热相结合实现高效热管理-清华大学出版社学术期刊的博文
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2025-6-16 09:43
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Wang X, Wu W, Zhang Y, et al. Lightweight SiBCN-modified carbon-bonded carbon fiber composites with directional heat-leading function for efficient thermal protection. Journal of Advanced Ceramics , 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221113
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2025.9221113
ResearchGate ： https://www.researchgate.net/publication/392612971_Lightweight_SiBCN-modified_carbon-bonded_carbon_fiber_composites_with_directional_heat-leading_function_for_efficient_thermal_protection
1 、 导读
碳粘结碳纤维（ CBCF ）复合材料是航空航天应用中极具潜力的热防护材料。然而现役的 CBCF 复合材料隔热能力有限，限制了其在严酷热环境中的应用。 本研究提出了一种导热隔热多功能设计策略，将高导热层引入 CBCF 复合材料中，实现了在保证厚度方向的隔热性能外提升了垂直厚度方向的热疏导，从而实现了防热材料的高效热管理。 此外开发了一种 SiBCN 陶瓷改性 CBCF 复合材料的新方法，所制备的复合材料兼具轻质（ 0.48–0.49 g/cm 3 ）与优异的定向热疏导能力 ( 面内热导率达 60.9–61.5 W/(m·K) ，隔热方向 0.08 W/(m·K)) ，为飞行器热防护提供新方案。
2 、 研究背景
高超声速飞行器在飞行时受到严重的气动加热，对热防护系统的设计构成了重大挑战。碳粘结碳纤维（ CBCF ）复合材料因轻质结构和在高温下出色的尺寸稳定性，在航空航天和军事领域的热防护材料中备受关注。然而，传统 CBCF 复合材料普遍存在面内导热能力有限的问题，使其在极端温度梯度下的应用受到限制。本研究提出了一种创新的设计策略，旨在开发具有增强面内定向导热性能的复合材料 CBCF/SiBCN ，在各向异性隔热结构内集成高效的面内热传导路径，开发 CBCF 复合材料热管理功能，以满足航空航天应用中多功能热防护的基本需求。
3 、文章亮点
l 材料创新与设计策略：
提出了一种多功能设计策略，制备出具有面内热传导路径和隔热结构的各向异性 CBCF/SiBCN 复合材料。旨在提升面内热疏导能力，实现高效热管理，突破了传统 CBCF 复合材料面内导热不足的局限，以满足航空航天领域对热防护材料的严苛要求。
l 制备工艺与微观结构：
设计了具有定向热疏导功能的 CBCF 复合碳骨架，采用聚合物浸渍裂解工艺引入 SiBCN 陶瓷基体。对复合材料制备工艺、微观形貌、力学响应和热性能进行了系统研究。 CBCF/SiBCN 复合材料展现出独特的微观结构，构建面内高导热通路的同时维持 CBCF 固有的多孔特征。
l 性能表现与应用前景：
CBCF/SiBCN 复合材料在面内方向展现出显著的热传导性能（热导率达到 60.9-61.5 W/(m·K) ），同时在隔热方向保持较低的热导率（ 0.08 W/(m·K) ），展现出优异的各向异性热管理性能，在航空航天领域的热防护系统中具有巨大的应用潜力，特别是用于需要高效热传导和隔热的区域。
4 、研究结果及结论
Figure 1. CBCF/SiBCN 复合材料制备工艺
Figure 2. SiBCN 陶瓷前驱体 PBSZ 表征及热解工艺研究： (a) 不同热处理温度后 PBSZ 红外光谱。 (b) 不同固化剂用量的热重曲线。 (c,d) 热重 – 质谱曲线。 (e) 在 1000°C 、 1200°C 、 1400°C 和 1600°C 氩气气氛退火 1 小时的 SiBCN 陶瓷 XRD 。 SiBCN 陶瓷的 XPS 光谱： (f)XPS 总谱； (g1)Si2p ； (g2)C1s ； (g3)N1s ； (g4)B1s 。
Figure 3. CBCF/SiBCN 复合材料微观形貌分析： (a-c)SiBCN 陶瓷 TEM 。复合材料 SEM ： (c) 面内方向， (d)SiBCN 陶瓷的 EDS 分析， (e-f) 厚度方向方向。
Figure 4. (a) CBCF/SiBCN 复合材料压汞曲线和孔径分布， (b) 氩气和空气条件热重曲线， (c) 复合材料密度。 (d) 实物照片。
Figure 5. (a) CBCF/SiBCN 样品中纤维取向分布特征的示意图。 (b) XY 和 Z 样品中载荷方向与典型纤维取向之间的关系。
Figure 6. CBCF/SiBCN 复合材料压缩力学行为分析： (a) 含单层 0.1mm 导热层样品应力 - 应变曲线及与碳骨架的曲线的对比。 (b-c)XY 和 Z 样品应力 - 应变曲线。 (d-e)XY 和 Z 样品压缩强度和压缩模量。
Figure 7. (a)CBCF/SiBCN 样品面内热导率。 (b-c) 与骨架热导率的增量比较。
Figure 8. 热疏导性能表征： (a) 红外热成像测试示意图。 (b) 红外热成像。
Figure 9. CBCF/SiBCN 复合材料传热机理
Figure 10. (a) 本文工作与已报道的 CBCF 复合材料的密度、抗压强度的比较。 (b) 本文工作与已报道的 CBCF 复合材料在不同方向上的热传导性能的比较。
5 、作者及研究团队简介
徐宝升（通讯作者） ，博士生导师，副教授，北京理工大学先进结构技术研究院副院长。主要从事新型防隔热材料及结构研究，包括新型气凝胶、特种涂层、耐低温树脂材料、新型柔性防隔热材料及结构等。为某计划重点项目专家组成员，中国复合材料学会热防护复合材料分会副主任委员、中国机械制造工艺协会绿色分会理事、《现代陶瓷技术》、《热喷涂技术》等编辑委员会委员等。主持和参与国家自然科学基金重大项目课题、某国家重大和重点项目等多项。曾获 “2017 年度中国复合材料优秀博士学位论文 ” 、 中国航空学会技术发明二等奖等。至今在国内外著名期刊发表论文 100 余篇，授权发明专利近 30 件。
个人主页： https://xjjg.bit.edu.cn/yjtd/zrjs/b84015.htm
作者邮箱： xubsh@bit.edu.cn
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1 ） LIU D, SHI B, GENG L, et al. High-entropy rare-earth zirconate ceramics with low thermal conductivity for advanced thermal-barrier coatings. Journal of Advanced Ceramics , 2022, 11(6): 961-973.
《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介
《先进陶瓷（英文）》 于 2012 年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊，年发文量近 200 篇； 2024 年 6 月发布的影响因子为 18.6 ，连续 4 年位列 Web of Science 核心合集 “ 材料科学，陶瓷 ” 学科 31 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选 “ 中国科技期刊卓越行动计划二期 ” 英文领军期刊项目； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来 “ 借船出海 ” 的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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