航天先进复合材料是一类应用于“弹、箭、星、船、器、站、所”极端服役环境的关键材料，是航天器研制和发展的物质基础和技术先导，也是衡量航天器先进性和可靠性的重要标志。
特别是进入21世纪以来，随着高超声速、空天往返和深空探测领域各类新型航天器的蓬勃发展，先进复合材料对航天器的基础支撑作用愈发凸显，甚至决定装备的有无和先进与否。美欧等国高度重视航天先进复合材料技术，DARPA将热防护与材料列为高超声速飞行器五大关键技术之一，不断研发、考核、使用新材料，提高成熟度，以满足未来装备发展需求，保持全球领先地位。
随着航天器的速域和空域不断拓展，先进复合材料研究的深度和广度也日益增强。一方面，复合材料需要在极端复杂环境中高可靠服役，具有复杂的组分和结构，对材料的轻量化、耐温性、多功能一体化等性能要求极高，需要不断发展新的高性能材料。
另一方面，需要深入研究复合材料材料在极端环境中组分、结构及性能的演变规律、多物理化学场与材料耦合作用等，提高对材料服役性能的认识。因此，面向未来航天器需求和复合材料自身技术发展，亟需在理论、方法和技术等方面实现创新。
高超声速飞行器飞行速度不断提高，飞行时间更长，对高温高效隔热材料的需求更加迫切。现有成熟隔热材料，如陶瓷瓦、隔热毡、氧化物纳米隔热材料的使用温度已不能满足未来飞行器要求。碳及碳化物多孔隔热材料在惰性环境中具有优异的热稳定性和隔热性能，成为目前国内外超高温隔热材料的研究重点。
碳纤维毡、碳泡沫等是最常见的高温隔热材料，作为窑炉保温材料早已实现商品化生产，并广泛应用，但其隔热性能不佳。近年来，以碳气凝胶为代表的多孔隔热材料引起研究者的高度重视。德国巴伐利亚应用能源研究中心的科学家首次较全面的报道了碳气凝胶的隔热性能，测试得到1500 ℃的热导率为0.12 W/(m·K)，并通过计算得到2500 ℃的热导率为0.16 W/(m·K)，隔热性能是碳毡的2~5倍，受到广泛关注。
美国空军研究实验室对以抗氧化碳/碳为外面板，碳气凝胶为内部隔热层，总厚度为38 mm的组合隔热结构进行热试验考核，防热结构表面温度 1927 ℃，加热时间15 min后，背面温度仅为611 ℃。证明了该防隔热结构在超高温下具有较好的隔热性能和抗热震性能，并推荐在防热材料与结构中应用。
2018年美国发射“帕克”太阳探测器，为抵御日冕层高温，探测器正对太阳的方向安装了耐高温的防热罩，见图9。资料显示，该防热罩主体为碳泡沫，直径约为2.44 m，厚度约为114 cm，是迄今为止报道的尺寸最大的碳质隔热材料构件，体现出极高的制造工艺水平。
图9 帕克太阳探测器隔热罩
日本宇宙航空开发研究机构认为碳质隔热材料有潜力用于在深空探测器的高温防隔热系统，并设计了“抗氧化碳/碳+碳泡沫+铝蜂窝”三层组合的轻质防热结构。其中碳泡沫密度为0.18 g/cm3，室温热导率约为0.14 W/(m·K)。在电弧风洞试验考核时，表面最高温度达到2000 K，具有较好的热稳定性和隔热性能，综合性能突出。
国内Li等报道了纤维增强碳气凝胶隔热材料的性能，见图10，密度为0.6 g/cm3的碳气凝胶复合材料压缩强度可达80 MPa，厚度为7.5~12 mm的材料在1800 ℃氧-乙炔焰加热900 s的考核条件下，背面温度为685~778 ℃，显示出优异的性能。
图10 碳气凝胶材料性能：(a) 加热面(Tf)和背面(Tb)的温度-加热时间曲线；(b) 不同厚度材料试验前后照片：1#=7.5 mm，2#=10 mm, 3#=12 mm；(c) 试验后材料质量损失和收缩；(d) 试验前后材料的SEM图像
碳质超高温隔热材料在飞行器高温隔热领域已经展现出重要的应用价值。发展该类材料的微观结构调控方法，提升优化材料性能，建立大尺寸材料的制备工艺，进行典型环境中的试验考核是碳质超高温隔热材料的重要研究方向。
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原文始发于微信公众号（艾邦气凝胶论坛）：空天领域耐高温气凝胶先进复合材料的研究进展
