近日，亚洲第一品牌威尼斯澳门人的杨振宇副教授团队在高超声速飞行器新型热防护复合材料的可重复使用力学性能研究方面取得重要进展。这一研究成果已在国际复合材料领域顶刊《Composites Part B: Engineering》(IF：13.1)上发表。文章的第一作者是2020级博士生李志男，通讯作者为杨振宇副教授，合作者有航天材料及工艺研究所的李同起研究员和中国航天科技创新研究院的张尧副研究员，卢子兴教授对该研究给予了重要指导。该项研究得到国家自然科学基金面上项目和**重点实验室基金的资助。

图1 论文首页

酚醛树脂浸渍碳烧蚀体(Phenolic impregnated carbon abator, PICA)作为一种新型高超声速飞行器热防护材料，其力学性能受到研究者的广泛关注。在制备过程中将酚醛树脂溶液过滤后进行高温热解，能够形成高孔隙率的热解碳粘接碳纤维网络复合材料(Carbon-bonded carbon fiber composites, 简称CBCFs)，具有密度低，比刚度、比强度高，导热率低等优异特性，但其内部微观结构异常复杂，宏观力学性能表现出横观各向同性。为提高CBCFs材料的抗氧化性能，通常需要引入陶瓷涂层隔绝氧气，以保护内部碳纤维的化学稳定性。随着当前可重复使用高超声速飞行器的蓬勃发展，亟需建立热防护材料的可重复使用性能指标用于指导热防护系统的设计与维护。

为探索该类新型热防护材料在可重复使用过程中的力学性能退化规律，研究团队首次针对化学气相沉积技术制备的碳化硅涂层的热解碳粘接碳纤维网络复合材料(SiC-coated carbon-bonded carbon fiber composites, 简称SiC-coated CBCFs)，开展了上百次的循环压缩力学实验，以详细的微观结构表征为根据，分析了变形恢复特征、应力软化特征等的变化规律，评估了涂层材料引入的影响及其可重复使用性能。

图2 化学气相沉积技术制备SiC-coated CBCFs材料的过程

研究首先利用化学气相沉积方法制备了SiC-coated CBCFs材料，该方法能够有效减少多余涂层材料的堆积，并避免内部碳纤维与孔隙中残留氧气的反应。为了深入认识多尺度结构中微观结构与宏观性能之间的联系，利用电子扫描显微镜(Scanning electron microscopy, 简称SEM)和计算机断层扫描技术(Computed tomography, 简称CT)对其微观结构进行了详细的观测表征，结果显示SiC-coated CBCFs材料内部的纤维取向分布具有方向性差异，这也是造成其横观各向同性特征的内在原因。与未涂层的碳纤维表面对比，碳化硅涂层在碳纤维表面包裹均匀。引入涂层材料之后，粘接区域的体积增大，表明碳化硅与热解碳相互结合，共同参与交联纤维之间的粘接行为。

图3 SiC-coated CBCFs材料的表面化学成分分析与微观结构观测表征

在微观结构观测表征的基础上，课题组规划了一系列准静态压缩实验，以探究SiC-coated CBCFs材料的宏观压缩力学性能及其退化规律。根据内部纤维取向分布特征，压缩实验分别从面外和面内两个方向开展。与未涂层的CBCFs材料相比，碳化硅涂层的引入对材料整体面外和面内方向的压缩模量的提升率分别达到178.67%和86.82%，强度提升率分别为56.25%和38.86%。该研究考察了材料宏观和微观尺度上的损伤和失效形式，分析了不同类型样品的失效特征与纤维取向分布之间的内在联系。

图4 SiC-coated CBCFs材料宏观和微观尺度上的损伤失效形式及其机理分析

为评估SiC-coated CBCFs材料力学性能的退化规律，研究设计了三组准静态循环压缩实验，包括单次逐级循环压缩实验，200次单级循环压缩实验以及25次逐级循环压缩实验。研究发现面外循环压缩的应力-应变曲线表现出明显的滞回环，在后续加载中存在应力软化现象，而面内压缩条件下样品的卸载曲线则与加载曲线斜率相近。SiC-coated CBCFs材料在面外方向上具有明显的压缩变形可恢复特征，结合材料内部微观结构的变形与能量的关联，研究人员深入分析了材料内部的损伤机制。

图6 单次逐级循环压缩实验结果以及残余应变和能量耗散分析

该项研究借助化学气相沉积工艺成功制备了高孔隙率、低密度的SiC-coated CBCFs材料，通过系统的微观结构表征与循环压缩力学实验，探索了微观结构与宏观力学性能的重要关联，也首次揭示了该类新型热防护材料在可重复使用需求下的力学性能退化规律，为该类材料的结构设计和制备工艺的发展提供了重要的参考，也为未来其在超高声速飞行器实际使用过程中的检测与维修方案制定提出了有益的建议。