一、研究背景

航空航天、深空探测等极端场景下，热防护材料需同时承受瞬态热冲击、宽温域交变、高能粒子辐照等多场耦合载荷，对材料的结构-功能集成设计提出了严苛要求。传统被动隔热材料已逼近傅里叶导热理论极限，难以实现长时宽温域稳定控温；相变材料（PCM）虽可通过潜热突破瓶颈，但普遍存在熔融泄漏、过冷严重、单温区适配性差的问题。

多孔气凝胶负载相变材料的复合体系（CPCM）是重要的发展方向，但现有体系仍存在四大痛点：

一是骨架多依赖化学合成，成本高、环境友好性不足；

二是多聚焦单温区 PCM，缺少宽温域梯度设计；

三是缺乏统一的定量隔热评价指标，跨体系性能对比困难；

四是碳基复合材料在辐照环境下的结构演化与失效机理不清，缺少系统的耐辐照性能研究。

面向极端环境热防护需求，研究团队提出“耐辐照材料筛选-分级多孔骨架工程-仿生梯度设计-辐照性能验证”全链条策略，以废弃白萝卜为生物质前驱体，通过热解应力驱动的 “坍塌-重构” 机制构建分级多孔碳气凝胶，结合 Geant4 模拟筛选多温区耐辐照相变材料，设计仿鸟羽梯度分层结构，实现了宽温域高效隔热与耐辐照性能的协同，为航天极端环境热防护提供了低成本、高性能的生物质基材料方案。

二、核心创新点

热解应力驱动的 “坍塌-重构” 结构工程

突破传统生物质碳气凝胶的结构调控思路，通过二次高温碳化的热解收缩应力，驱动孔壁局部坍塌与重构，在保留天然管状骨架的同时，原位生成膜层结构与表面贯通微孔，构建轴向支撑-径向隔热的功能分化分级网络。最优 TCA1000 孔隙率达96.86%，同时兼具高 PCM 负载量与力学稳定性。

Geant4 驱动的耐辐照材料筛选

通过 Geant4 模拟系统评估碳材料、石墨烯、聚酰亚胺等骨架材料与多种相变材料的质子辐照损伤，筛选出碳气凝胶为最优骨架，PEG（低熔点）、甘露醇（中熔点）、硝酸锂（高熔点）为耐辐照相变体系，为宽温域耐辐照复合材料设计提供定量依据。

无量纲隔热系数 INS 评价体系

提出整合储热能力 E与隔热能力 S的无量纲隔热系数（INS），可消除厚度影响，实现跨体系、跨材料隔热性能的统一量化对比与优化，解决了长期以来不同隔热体系缺乏统一评价标尺的问题。

仿鸟羽梯度分层协同设计

受鸟类羽毛 “绒羽保温+正羽防护” 的分层结构启发，构建三层梯度隔热体系：外层硝酸锂耐高温耐辐照、中层甘露醇中温高效隔热、内层 PEG 低温精准控温，功能层温区精准匹配，解决单材料温区失配的痛点。350 ℃下表面温升抑制62.3%，控温时间延长至纯骨架的 5.6 倍，同时外层协同提升耐辐照性能。

辐照隔热逆向增强效应

揭示辐照下双重作用机制：碳骨架有效阻挡高能粒子，保护内部相变芯材；同时辐照诱导表面缺陷与微孔增生，新增界面热阻进一步降低热导率（辐照后导热下降27.5%），最终实现隔热性能的逆向提升，突破了 “辐照损伤劣化性能” 的传统认知。

三、制备方法

1. 生物质碳气凝胶（TCA）制备

水热碳化：白萝卜切块后水热反应釜 200 ℃保温 10 h，得到白萝卜水凝胶；乙醇浸泡除杂，-56 ℃冷冻干燥 72 h，得到前驱体气凝胶。

二次高温碳化：氩气气氛下管式炉升温至目标温度（800/900/1000 ℃）保温 90 min，通过热解应力驱动 “坍塌-重构”，得到不同结构的 TCA 碳气凝胶，对应命名 TCA800、TCA900、TCA1000。

2. 复合相变材料制备

低/中温 PCM（PEG/甘露醇）：采用真空熔融浸渍法，TCA 骨架与 PCM 共置于真空干燥箱，80 ℃（PEG）/200 ℃（甘露醇）真空浸渍 6 h，加热过滤去除表面多余 PCM。

高温 PCM（硝酸锂）：采用水溶液辅助浸渍法，饱和硝酸锂溶液真空浸渍 5 h，冷冻干燥除水后热处理检漏，得到 TCA1000/硝酸锂复合材料。

3. 仿生三层梯度结构制备

以 TCA1000/硝酸锂为高温屏蔽层（3 mm）、TCA1000/甘露醇为中温隔热层（7 mm）、TCA1000/PEG 为低温密封层（2 mm），层间通过 PEG 边缘涂覆粘结整合，得到总厚度 12 mm 的 TCA1000-3层梯度隔热材料。

四、性能特点

结构与力学性能

分级多孔结构：TCA1000 兼具微米级大孔与纳米级微孔，比表面积 26.36 m²/g，孔体积 56 mL/g，平均孔径 6.2 μm，孔隙率 96.86%；PCM 负载率最高达 97.8 wt%。

力学稳定性：TCA1000 可承受自身重量 1000 倍载荷保持完整；复合材料压缩强度最高达 7.64 MPa（甘露醇复合），宽温域内粘弹性稳定，相变后仍保持结构完整性。

抗泄漏性能：纯PCM 3min完全熔融流动，复合材料30min无泄漏，形状稳定性优异。

热学与隔热性能

储热性能：TCA1000/PEG 熔化潜热 152.28 J/g，TCA1000/甘露醇 284.94 J/g，TCA1000 / 硝酸锂最高达339.6 J/g；过冷度最高降低 44.6%。

隔热性能：TCA900/PEG 热导率低至0.135 W·m⁻¹·K⁻¹，较纯 PEG 降低 55.7%；所有复合材料导热均低于 0.3 W·m⁻¹·K⁻¹，优于已报道的同类生物质碳气凝胶相变材料。

控温效果：131 ℃加热下，TCA1000/PEG 20 min 背温仅 43.9 ℃，较纯骨架降低 26.2%，控温时间为骨架的 4 倍；30 次循环后性能衰减小于 5%，循环稳定性优异。

宽温梯度隔热：350 ℃加热下，三层结构 20 min 背温仅 97.9 ℃，较加热端降低 72%；控温时间达 2724 s，为纯骨架的 5.6 倍，实现宽温域连续控温。

耐辐照性能

模拟验证：三层结构的辐照剂量峰值与非电离能量损失显著低于单层 PEG，硝酸锂与甘露醇可将损伤限制在近表面区域，界面处初级反冲原子能量逐层降低，辐射防护效果显著。

实验验证：质子辐照后 PEG 虽发生部分降解、潜热略有下降，但辐照诱导微孔生成使热导率降至 0.121 W·m⁻¹·K⁻¹，降低 27.5%，整体隔热性能反而提升；碳骨架有效阻挡大部分辐照损伤，保护芯材。

五、潜在应用

1. 航天极端热防护：航天器在轨运行、再入阶段的热防护系统，兼具隔热、储热与耐辐照性能，适配空间复杂极端环境。

2. 局部热疗：可穿戴热疗材料，通过相变潜热稳定维持 42~44 ℃近 40 min，实现长效可控恒温热疗。

3. 红外隐身：军事装备红外伪装，通过储热 + 隔热协同降低表面辐射温差，实现与背景的红外融合。

4. 冷链与建筑节能：冷链运输保温、被动式建筑节能，低成本生物质基材料适配规模化应用。

六、结论与展望

这项工作以废弃生物质为前驱体，通过结构工程、材料筛选、梯度设计与性能评价的系统创新，构建了兼具宽温域高效隔热、优异耐辐照与力学稳定的新型复合相变隔热材料，突破了传统热防护材料 “温区窄、不耐辐、评价难” 的核心瓶颈。材料低成本、绿色可规模化，在航天极端热防护、红外隐身、建筑节能等领域展现出重要的应用潜力，也为下一代极端环境热管理材料设计提供了系统的方法学支撑。

图文解析

图1. TCA 气凝胶的形貌结构与演化。

图2. 中高温复合相变材料的形貌与力学性能。

图3. 复合相变材料的热学特性。

图4. TCA/PEG 复合材料的隔热性能测试。

图5. 隔热系数与仿生梯度分层设计。

图6. 耐辐照性能与多功能应用场景。

原文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.76719

免责声明：素材来源于网络，仅供学术交流，侵删。由于小编水平有限，文献解读如有疏漏、错误之处还请各位读者批评指正。如需投稿，请联系我们