Part 1 文章简介

传统碳泡沫存在脆性大、强度低、高温辐射传热严重等问题，难以满足极端隔热需求。本研究采用渗透溶胀 - 模板复制策略，以聚氨酯泡沫为模板、酚醛树脂为碳源，制备超轻碳泡沫（CF），密度低至0.041 g/cm³，抗压强度达0.48 MPa。进一步设计碳气凝胶复合面板（CAC）增强夹层结构（SCF），在保持低密度（0.12–0.21 g/cm³）的同时，抗弯强度提升至6.55–12.68 MPa。CAC 面板可高效抑制辐射传热，使 1000℃加热 800 s 后背面温度从纯碳泡沫的 568.3℃降至254.6–287.8℃。材料兼顾超轻、高强、低导热、抗冲击与高温隔热，为航空航天真空 / 惰性环境热防护提供轻量化高性能方案。

Part 2 创新点

1. 渗透溶胀新策略：树脂浸润引发泡沫骨架溶胀，增厚韧带，抑制碳化坍塌，实现超低密与高强度平衡。

2. 夹层结构协同增强：碳泡沫芯材轻量化隔热 + 高强碳气凝胶面板承力，突破单一碳泡沫力学短板。

3. 辐射传热精准抑制：纳米多孔 CAC 面板阻挡高温辐射，大幅降低背面温度，高温隔热性能跃升。

4. 结构可设计性强：通过孔径、树脂浓度、碳化温度、面板类型调控性能，适配多场景需求。

5. 工艺可规模化：模板复制 + 常压干燥 + 低温碳化，流程简单、尺寸可放大，工程化潜力大。

Part 3 制备流程

1. 碳泡沫（CF）制备：PU 泡沫浸渍酚醛树脂，辊压除余胶；95℃/150℃阶梯固化；600–1200℃氮气碳化 2 h。

2. 碳气凝胶复合面板（CAC）制备：酚醛树脂溶胶 - 凝胶聚合，常压干燥；800℃碳化，分别用 0.15、0.40、0.8 g/cm³ 碳纤维预制体增强。

3. 夹层结构（SCF）组装：石墨 / 碳纳米纤维增强酚醛胶黏结 CAC 面板与 CF 芯材；真空固化；800℃碳化得到 SCF。

4. 结构与性能表征：SEM、CT、XRD、Raman、密度、孔隙率、导热系数、压缩 / 弯曲 / 拉伸 / 冲击、高温隔热测试。

图 1 碳泡沫制备机理示意图

概要：本图展示渗透溶胀 - 模板复制制备超轻碳泡沫的全过程。PU 泡沫首先在酚醛树脂中充分浸润，树脂渗入骨架引发体积溶胀约 17%，显著增厚韧带。经辊压去除孔内多余树脂，保留骨架包覆层，维持开孔结构。随后阶梯热固化形成刚性 PF/PU 复合泡沫，树脂强化网络有效抑制后续高温碳化收缩。最终碳化后得到连续三维网状碳泡沫，孔结构完整、韧带均匀。该策略突破传统模板法骨架细脆、易塌陷缺陷，实现低密度与结构强度协同，为后续夹层结构提供稳定芯材。溶胀增韧与原位固化是获得高孔隙率、高结构完整性碳泡沫的核心。

图 2 多级形貌演化

概要：本图对比 PU、PF/PU、CF 三相宏观与微观形貌。a/e/i 宏观显示 PU 经树脂浸润膨胀，碳化后尺寸均匀收缩、无碎裂。b–d PU 泡沫韧带薄（44.5 μm）、孔壁光滑；f–h 树脂浸润后韧带增厚至 53.5 μm，表面平整连续；j–l 碳化后韧带保持 46.5 μm，三维网络完整无断裂。从原始模板到复合前驱体再到最终碳泡沫，孔结构精准复制，韧带逐步强化。SEM 证实溶胀 - 固化 - 碳化有效构筑厚实连续碳骨架，解决传统碳泡沫脆裂问题，为力学与隔热性能奠定结构基础。

图 3 结构与物性演变

概要：本图揭示制备过程中质量、体积、热稳定性、密度与导热变化。a 浸渍后质量增 314.2%、体积增 184.1%；碳化后质量减 51.8%、体积减 50.7%，最终尺寸稳定。b TGA 显示 PU 残碳 2.2%，PF 残碳 64.8%，PF/PU 达 50.2%，CF 1000℃残碳 98.7%，热稳定性优异。c 密度从 PU 0.029 升至 CF 0.041 g/cm³，室温导热 0.044 W/(m・K)。d 碳泡沫超轻可任意加工。e CT 重建显示三维网络贯通、孔隙均匀，孔隙率 96.8%，平均孔径 562.1 μm。数据证实材料兼具超轻、高孔隙、高稳定、低导热优势。

图 4 碳泡沫晶体结构

概要：本图通过 XRD 与 Raman 分析不同温度碳化产物。a XRD 显示 21.5° 与 44.5° 对应乱层碳 (002)(100) 晶面，温度升高峰变尖锐，石墨化程度提升。b Raman 显示 D 峰（1350 cm⁻¹，缺陷）与 G 峰（1585 cm⁻¹，石墨化），ID/IG 从 600℃的 2.98 降至 1200℃的 1.96，缺陷减少、有序度提高。结果表明升温促进碳骨架重排，晶体缺陷降低、强度提升，但导热随有序度上升略有增加，800℃为力学与隔热最佳平衡点。

图 5 热性能

概要：本图系统表征热导率、比热容、热膨胀系数。a 室温导热随碳化温度升高从 0.039 升至 0.060 W/(m・K)。b 100–700℃氮气中导热均低于 0.3 W/(m・K)，随温度缓慢上升。c 25℃比热容从 1.378 降至 1.196 J/(g・℃)，杂原子脱除导致储热能力下降。d CF800 热膨胀系数低至 1.30×10⁻⁶~1.80×10⁻⁶ K⁻¹，尺寸极稳定。数据证明碳泡沫在宽温域保持低热导、低热膨胀，适配高温动态热防护。

图 6 力学性能

概要：本图验证抗压性能与仿真。a–c 抗压强度随温度从 0.36 升至 0.60 MPa，模量从 16.88 升至 37.50 MPa。d FEM 仿真显示应力集中于受力韧带。e 韧带越薄应力越高，是失效主因。f 对比文献，本工作在 0.041 g/cm³ 超低密度下实现高强度，比强度领先。增厚韧带与高石墨化协同提升力学性能，突破传统碳泡沫强度瓶颈，为夹层结构提供可靠芯材。

图 7 夹层结构制备与界面

概要：本图展示 SCF 组装流程与界面质量。a 胶黏结 CAC 与 CF，固化碳化形成三明治结构。b 可制备 205 mm 大尺寸试件。c 截面 SEM 显示 CAC/CF 界面连续无缺陷，胶层过渡均匀。d CAC 面板碳纤维与气凝胶紧密结合。e 胶层中 CNF 均匀分散，无团聚，增强界面结合、抑制开裂。强界面保证载荷有效传递，实现芯材隔热与面板承力协同，是力学性能跃升的关键。

图 8 热 - 力学性能

概要：本图呈现 SCF 密度、导热、力学性能。a 密度 0.12–0.21 g/cm³，导热 0.051–0.063 W/(m・K)，保持轻质低导热。b 平拉强度≈0.61 MPa，失效于芯材，界面强于芯材。c–d 三点弯曲载荷与强度随面板增强提升，SCF-2.5D 抗弯达 12.68 MPa。e 0.15 g/cm³ 试件可承载 80 kg 成人。f–h 压缩、拉伸、弯曲失效模式均为芯材破坏，面板完好。证实夹层设计实现轻质、高强、高刚性统一。

图 9 抗冲击性能

概要：本图对比纯 CF 与 SCF 抗冲击。a 50 J 落锤冲击装置。b–c SCF 峰值力与吸能远高于 CF，SCF-2.5D 吸能 18.77 J，是纯 CF 的 36.8 倍。d–e 仿真显示纯 CF 应力集中局部塌陷；SCF 面板将冲击应力均匀扩散，保护芯材。CAC 面板大幅提升抗冲击与结构完整性，解决碳泡沫抗冲击差痛点，满足复杂力学环境使用。

图 10 高温隔热与传热机理

概要：本图验证极端高温隔热。a 100–700℃导热 SCF 高于 CF，但仍保持低水平。b 1000℃石英灯辐射加热装置。c 纯 CF 背面达 568.3℃，SCF 最低仅 254.6℃，降温超 300℃。d–e COMSOL 模型显示 CAC 提升辐射散热效率 19.4%。f–g 仿真温度场证明 CAC 阻挡辐射热渗透。h 传热机制：CAC 反射 / 衰减辐射热，CF 芯材抑制固 / 气传导，协同实现超强隔热。

Part 5 全文总结

本研究通过渗透溶胀 - 模板复制制备超轻高强碳泡沫，再结合碳气凝胶面板夹层设计，实现高温隔热与力学性能协同突破。碳泡沫密度 0.041 g/cm³、抗压 0.48 MPa、孔隙率 96.8%、室温导热 0.044 W/(m・K)。夹层结构密度 0.12–0.21 g/cm³，抗弯强度 6.55–12.68 MPa，抗冲击吸能提升 36 倍。碳气凝胶面板高效抑制高温辐射传热，使 1000℃加热背面温度降低 300℃以上。材料兼具超轻、高强、低导热、抗冲击、尺寸稳定与高温隔热，工艺简单可放大。为高超声速飞行器、航天热防护、真空高温绝热提供新一代轻量化、高性能碳基复合隔热材料。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121664.

引用：J. Yao, L. Li, H. Tian, H. Cai, H. Huang, Z. Su, Y. Luo, B. Niu, D. Long, Ultralight carbon foams and their sandwich structures with carbon aerogel composite panels for high-temperature thermal insulation, Carbon 256 (2026) 121664.

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