传统被动热防护材料存在导热系数接近理论极限、适用温区窄、太空辐照环境易失效等多重瓶颈，难以满足航天器再入、深空探测等极端工况需求。北京科技大学能源与环境工程学院联合中国空间技术研究院团队完成相关研究，成果刊载于Advanced Functional Materials。研究以废弃白萝卜生物质为原料，通过热解应力驱动 “坍塌 - 重构” 缺陷工程制备轴向 - 径向分工分级管状碳气凝胶 TCA1000；结合 Geant4 辐照仿真筛选三类耐辐照相变介质（PEG、甘露醇、硝酸锂），构建多套复合相变隔热材料。借鉴鸟类羽毛分层结构设计仿生梯度隔热体系，提出无量纲隔热系数 INS 用于统一量化各类隔热材料性能。材料最低导热系数 0.135 W・K⁻¹・m⁻¹，最大潜热 339.6 J・g⁻¹，350℃高温下表面温升降低 62.3%；质子辐照测试证实碳骨架与孔界面协同双重抗辐照机制，辐照后孔隙增多反而进一步提升隔热能力，在航天热控、红外伪装、低温冷链、热疗多场景具备应用价值。通讯单位为北京科技大学能源与环境工程学院、中国空间技术研究院航天器热控国家重点实验室。

 •选用废弃白萝卜为低成本生物质前驱，水热 - 冻干 - 梯度高温碳化全流程制备气凝胶；1000℃碳化时热解内应力驱动孔壁坍塌再重构，生成微米主管道 + 纳米薄壁多级孔结构，孔隙率高达 96.86%。骨架轴向中空管承担力学支撑，径向多孔薄膜阻断导热，可稳定承载 96% 以上相变介质，机械强度远超同类生物质碳气凝胶，原料廉价易规模化量产。

 •借助 Geant4 模拟质子辐照损伤，定量对比多种有机、盐类相变材料的非电离能量损失，确定低温 PEG、中温甘露醇、高温硝酸锂三套耐辐照适配介质；三类复合相变材料分别适配 25–140℃、140–290℃、290–350℃区间，全部实现超高相变潜热与大幅降低导热系数，综合热管理指标优于文献已报道棉秆、向日葵基碳气凝胶复合体系。

 • 现有研究缺少跨体系定量评估指标，该工作整合储热能力与隔热阻力两大核心参数，提出无量纲隔热系数 INS，消除材料厚度、测试温度干扰，可横向对比气凝胶、陶瓷、泡沫各类隔热材料，为热防护材料设计优化提供标准化量化工具。

图1 TCA及其复合材料的形态与结构

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图3 PEG与TCA/PEG的热特性

图4 TCA1000及TCA/PEG隔热性能测试

图5 热绝缘系数

图6

       常规隔热材料存在储热与隔热难以兼顾、耐受温度区间狭窄、太空高能辐照易失效、原料成本高等工程痛点。本研究以废弃白萝卜生物质为原料，依托热解应力诱导重构工艺制备多级孔碳气凝胶骨架，搭配三类不同熔点耐辐照相变介质构建复合热管理材料，同时创新仿生羽毛梯度分层设计拓宽工作温区，并建立通用无量纲隔热评价指标 INS。材料兼具超低导热、超高相变潜热、优异机械稳定性与独特辐照增益隔热特性，在 130–350℃宽温域内实现长效温度缓冲保护，循环使用 30 次性能衰减低于 5%。当前研究仅完成实验室小样与模拟辐照验证，后续可开展大面积连续成型工艺优化，推进轻量化航天隔热构件、商用冷链保温板材、柔性红外伪装薄膜等产品工程化开发。