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/cm³）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

Figure2. 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。 

 Figure3. 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

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