DOI: 10.1016/j.carbon.2023.01.055

未来一代航天器元件的发展迫切需要开发出能够承受极端环境（>2000℃）的新型材料。超高温陶瓷（UHTCs）和碳纤维（Cf）的组合效应可以满足航空航天应用的苛刻要求。在本研究中，通过静电纺丝制备了一种新型混合柔性碳化铪（HfC）修饰碳纳米纤维（Cnf）垫。柔性HfC修饰Cnf比Cnf具有更强的热稳定性，这一点可以通过较高温度（830℃）下20倍增长的热导率和降解开始来解释。使用内部制造的HfC修饰Cnf成功集成多层夹层晶格，显示即使在1850℃的极端火花等离子体处理（SPS）后，纤维结构仍保持不变。由于成束团聚和微米级纤维，使用采购的Cf制造类似的多层结构以失败告终。高负荷压痕表明，HfC修饰Cnf夹层比母体UHTC更强（约2.3倍），界面处无裂纹。与HfC基体相比，由于Cnf、纤维拉出和桥接等增韧机制，界面处的压痕损伤面积减少了约56%。研究者提出将合成的HfC修饰Cnf垫作为一种超薄填充材料，用于连接相似或不同的UHTCs，同时在界面处保持相似的化学性质和更好的机械完整性。上述发现为设计用于未来一代航天器热保护系统（TPS）的混合柔性陶瓷材料提供了新的范例，其可在极端环境（>2000℃）下使用。

图1.（a）单针电纺丝装置，（b）获得的电纺产物，包括单纳米纤维、纳米纤维垫以及Cnf和HfC修饰Cnf纳米纤维基纱线的示意图。注：Cnf表示“碳纳米纤维”，HfC表示“碳化铪”

图2.使用SPS分步制备分层结构的示意图。注：Cnf表示“碳纳米纤维”，HfC表示“碳化铪”，SPS表示“火花等离子烧结”

图3.（a）显示电纺（i）PAN、（ii）HfC修饰PAN、（iii）Cnf和（iv）HfC修饰Cnf垫的柔性的照片；（b）Cnf和（c）HfC修饰Cnf的SEM，以及（d）PAN、Cnf和HfC修饰Cnf的直径分布比较。注：PAN代表“聚丙烯腈”，Cnf代表“碳纳米纤维”，HfC代表“碳化铪”

图4.显示（a）Cnf和（b）HfC修饰Cnf垫的元素组成的EDS图，（c）显示碳化前后电纺HfC修饰Cnf中存在HfC纳米颗粒的XRD图，以及（d）显示通过手工编织将HfC修饰Cnf形成纱线的SEM显微照片。注：PAN代表“聚丙烯腈”，Cnf代表“碳纳米纤维”，HfC代表“碳化铪”

图5.（a）TGA表明HfC修饰Cnf的热稳定性较Cnf得以增强，以及（b）与Cnf相比，HfC修饰Cnf的热导率增强。注：TGA代表“热重分析”，Cnf代表“碳纳米纤维”，HfC代表“碳化铪”

图6.（a）HfC修饰Cnf垫和（b）采购的具有HfC基质的Cf垫的多层结构的SPS处理步骤。注：SPS代表“火花等离子烧结”，HfC代表“碳化铪”，Cnf代表“碳纳米纤维”，Cf代表“碳纤维”

图7.（a-d）HfC基质中HfC修饰Cnf的多层结构的SEM显微照片。高倍SEM显微照片显示，即使在SPS烧结后，HfC修饰Cnf仍然存在，（e）EDS显示HfC修饰的Cnf层，（f,g）断裂显微照片显示整个界面上悬挂的HfC修饰Cnf，以及（h-j）显示采购的具有HfC的Cf中的多层结构的SEM显微照片。高倍放大显示SPS处理后Cf结构的弱结合和断裂。注：SEM代表“扫描电子显微镜”，HfC代表“碳化铪”，Cnf代表“碳纳米纤维”，SPS代表“火花等离子烧结”，EDS代表“能量色散检测器（EDS）”，Cf代表“碳纤维”

图8.（a）沿着界面和HfC基质的硬度分布，（b,c）HfC侧和界面处的承载能力比较，（d,e）SEM显微照片显示通过桥接和拉出机制诱导HfC修饰Cnf界面的高韧性。注：HfC代表“碳化铪”，Cnf代表“碳纳米纤维”，SEM代表“扫描电子显微镜”

图9.工作总结。注：HfC表示“碳化铪”，Cnf表示“碳纳米纤维”