碳基隔热材料因超轻、隔热效果好、耐高温，在超高音速飞行器、深空探测等极端环境的热防护系统中应用潜力巨大，但传统碳气凝胶制备时体积收缩明显，难以优化结构和热性能。针对这一难题，湖南大学申克教授团队受中空纤维结构的启发，采用碳化物衍生碳（CDC）策略，以碳纤维毡（CF）为模板，研制出中空碳纤维基多孔隔热材料（CF-H），相关成果发表于《Advanced Functional Materials》上。

该材料的制备分三步完成：先让碳纤维毡裹上硅氧烷干凝胶层，经1500℃热处理形成碳化硅包覆的碳纤维毡（SiC@CF）；再在700℃下氧化，选择性去除碳芯，得到中空碳化硅纤维毡（SiC-H）；最后用CDC策略，通过氯自由基蚀刻SiC-H，最终形成CF-H。

该研究所制备的CF-H实现了10.22%的超低体积收缩率和98.84%的高孔隙率，材料密度低至19mg/cm³，轻到能立在蒲公英尖端，还能承受自身重量12500倍的载荷，能够有效承受飞行过程中高温热冲击带来的机械载荷。

注：（a）为中空碳纤维多孔隔热材料（CF-H）的设计策略与制备流程；（b）为CF-H 仿生中空碳纤维微观结构的扫描电子显微镜（SEM）图像；（c）为CF-H的表观密度测试；（d）为表观密度为19 mg/cm3的CF-H自立于蒲公英尖端的光学图像；（e）为压缩变形示意图；（f）加工为不同形状的CF-H样品光学图像。

CF-H的制备流程及部分性能表征

隔热性能与传热机制

在隔热性能上，CF-H的表现远超传统碳纤维毡。无论热流垂直还是平行于纤维方向（热板表面温度设定为300 ℃），CF-H的表面温度都显著低于CF，这些结果表明，以实心碳纤维为模板构建中空纤维结构，使 CF-H 在平行和垂直于纤维方向均实现了优于 CF 的隔热性能。

其优异的隔热性，源于中空纤维结构能散射、吸收热辐射，且蚀刻后形成的微孔/介孔结构降低了传热效率，同时中空结构增加了气相比例，减少了固相热传导。

中空碳纤维多孔隔热材料的隔热性能与传热机制

机械性能

此外，CF-H通过在CF模板中引入深度针刺纤维结构，形成了坚固的类弹簧针刺纤维束网络（沿载荷方向排列），机械弹性极佳。在20%～80%的压缩范围内，其能快速回弹，即便在60%应变下循环压缩300次，仍能保持良好的力学性能，液氮的超低温环境也不会影响其压缩弹性。

中空碳纤维多孔隔热材料的机械性能

该研究通过CDC策略制备的CF-H，兼顾了超轻、高隔热、高弹性等优势，不仅解决了传统碳气凝胶体积收缩的难题，还为航空航天等极端环境的热防护系统材料设计，提供了全新的思路，也适用于对耐热性、机械耐久性要求高的高温工业场景。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202506814

（来源：易丝帮）