突破耐热极限：碳纳米材料助力碳纤维复合材料“轻量化+耐高温”双重升级

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突破耐热极限：碳纳米材料助力碳纤维复合材料“轻量化+耐高温”双重升级（DOI: 10.3390/nano15070546）

导语：
在航空航天、军工和高端制造领域，碳纤维增强聚合物（CFRP）因其轻质高强而备受青睐。然而，其耐热性差的问题长期制约着其在极端环境下的应用。近日，德国联邦国防军大学与德国材料研究与测试研究所（BAM）联合开展的一项研究，通过引入碳黑颗粒（CBPs）和碳纳米管（CNTs），成功将CFRP的热阻性能提升至新高度，延迟热损伤达17%，为轻量化热防护材料开辟了新路径。

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一、研究背景：CFRP的“热短板”
CFRP虽具备极高的比强度和比刚度，但其聚合物基体（如RTM6环氧树脂）在高温下极易分解，玻璃化转变温度仅约120°C，远低于其在航空、火箭、激光武器等场景下的实际热负荷。传统解决方案如添加阻燃剂、陶瓷夹层或膨胀涂层虽能提升热稳定性，却往往带来重量增加、力学性能下降等副作用，违背了CFRP轻量化的设计初衷。

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二、研究创新：碳基纳米粒子的“热导网络”
本研究提出一种不增加结构重量的热阻提升策略：在CFRP基体中引入碳黑颗粒（CBPs）和碳纳米管（CNTs），构建导热网络，实现热量的快速分散，延缓热损伤。

✅ 关键发现： CBPs由于球形结构，添加量更高，热容量同步提升，因此在延缓热损伤方面优于CNTs；而CNTs虽热导率潜力更大，但受限于加工粘度，添加量受限。

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三、机制解析：从“热传导”到“热损伤演化”
🔍 1. 热传导机制

• 热传导主要依赖声子传输，而非电子；
• 纳米粒子间存在界面热阻，限制了理论热导率的实现；
• 实验测得CBPs有效热导率为 2.72 W/(m·K)，CNTs为 8.89 W/(m·K)，远低于其理论值，原因在于粒子未完全连通、存在缺陷与界面散射。
  

🔍 2. 热损伤演化

• 在高温热流（50 kW/m²）下，材料由前向后依次出现：
  
  • rI区：前表面严重分解；
  • rII区：中间层出现分层；
  • rIII区：背侧保持完好；
    
• 添加CBPs后，分层损伤起始时间延迟5秒，整体损伤体积显著减少；
• 红外光谱分析显示，CBPs样品中环氧基体氧化速率更慢，热稳定性更高。
  

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四、力学性能：增强热稳定性“不失强”
研究还对改性材料的力学性能进行了系统评估，结果显示：

• 层间剪切强度（ILSS）、压缩强度和拉伸强度在添加CBPs或CNTs后未显著下降；
• 玻璃化转变温度略有降低（CBPs降低7°C），但仍维持在215°C以上；
• 在高热流加载后，CBPs改性样品强度衰减速度最慢，结构完整性保持时间最长。
  

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五、模型建立：精准预测热行为
研究团队开发了一种基于实验校准的热传导模型，无需依赖理论假设，可直接预测复合材料的热导率、热容和密度变化。该模型考虑了粒子是否形成接触网络，以及界面热阻的影响，预测误差控制在5%以内，为后续材料设计提供了可靠工具。

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六、未来展望：从“延迟损伤”到“主动防护”
尽管本研究已实现热阻性能的显著提升，但作者指出，未来可通过以下方式进一步优化：

• 表面功能化纳米粒子，增强与基体界面结合；
• 多尺度填料协同（CBPs + CNTs），构建更致密导热网络；
• **采用Buckypaper（CNT纸）**与预浸料共层压，突破添加量限制；
• 面向短时高热载荷（如激光、雷击）场景，实现“主动热防护”。
  

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七、结语：轻量化热防护材料的新标杆
本研究成功证明，在不牺牲力学性能和结构重量的前提下，碳基纳米粒子可显著提升CFRP的热阻性能。CBPs因其高添加量和热容量优势，在实际应用中展现出更优的综合性能。这一成果不仅为航空航天、军工装备提供了更可靠的热防护解决方案，也为下一代高性能复合材料的设计提供了理论基础和实验依据。