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北京理工大学何汝杰等：室温“陶瓷造纸术”结合高温CVI创制多尺度SiC纤维/纳米线气凝胶，实现宽带电磁吸波与热防护一体化

已有 474 次阅读 2026-8-25 10:16 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article: Chen X, Chen J, Li W, et al. Multiscale SiC fiber/nanowire aerogels for broadband electromagnetic wave absorption via scalable ceramic papermaking coupled with CVI. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221360

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221360

ResearchGate：Multiscale SiC fiber/nanowire aerogels for broadband electromagnetic wave absorption via scalable ceramic papermaking coupled with CVI

基金支持：本研究由国家自然科学基金（项目编号：52572094）和中国博士后科学基金（2025M784240）提供资金支持。

一、导读

单尺度SiC纤维气凝胶虽具备优异的热稳定性，却因缺乏极化界面与导电网络，导致电磁波近乎完全穿透；且单尺度纳米线气凝胶极化损耗强，却难以抵御高温氧化与结构坍塌。如何在同一材料体系内兼顾高效吸波与可靠隔热，是空天热防护领域长期面临的“鱼与熊掌”难题。

北京理工大学何汝杰教授团队从传统造纸术中汲取灵感，提出室温“陶瓷造纸术”结合高温化学气相渗透（CVI）的跨尺度构筑策略，成功制备出毫米级SiC_f/SiC_nw跨尺度全陶瓷气凝胶（SFWs）。通过系统优化纤维长度至5 mm后，SFW-5M密度仅为0.23 g·cm^-3，最小反射损耗达−46.62 dB，在1000 °C火焰灼烧下背面温度仅约250 °C。更为颠覆性的是，高温烧蚀触发独特的“火致强化”效应——有效吸收带宽从4.6 GHz跃升至11.5 GHz（全覆盖C、X、Ku波段），力学强度同步增强，为下一代极端环境热防护材料开辟了全新范式。

图 1室温“陶瓷造纸术”结合高温CVI，创制多尺度SiC纤维/纳米线气凝胶

二、研究背景

高超声速飞行器与可重复使用航天器对轻质、多功能热防护材料提出了极为严苛的要求。气凝胶因超高孔隙率与超低密度成为理想载体，而SiC陶瓷凭借高熔点、优异抗氧化性及可调介电性能，被公认为最具潜力的候选体系。然而，超轻SiC气凝胶的制备长期受制于两大瓶颈：传统溶胶-凝胶法依赖超临界干燥与高温烧结，能耗高且难以放大；CVI法虽可生长纳米线气凝胶，但单尺度纳米线网络在高温氧化后脆性断裂，且仅靠传导损耗导致吸波频带狭窄。

单尺度架构的根本矛盾在于：粗纤维缺乏介电极化界面，细纳米线缺乏结构耐久性，热防护与吸波性能始终难以兼得。团队前期发展的室温“陶瓷造纸术”可实现纤维的重力驱动自组装，但单尺度纤维气凝胶因缺失小尺度功能组元，吸波性能严重不足。如何将这一可规模化成型方法升级为多尺度构筑平台，实现热-力-波多功能协同，成为亟待突破的关键科学问题。

三、文章亮点

1. 跨尺度“先成型、后生长”的创新工艺：室温“陶瓷造纸术”构建纤维骨架，结合高温CVI原位生长纳米线，可制备400 mm × 300 mm大面积及任意复杂形状构件，工艺简洁、成本低廉、易于放大，突破了传统气凝胶难以宏量制备的局限。

2. 毫米-微米-纳米三级结构协同设计：毫米级SiC纤维提供轻质、力学鲁棒的宏观骨架与隔热屏障；CVI生长的超高长径比纳米线均匀填充纤维间空隙，构建密集导电网络与丰富的SiC_f/SiC_nw空气多相异质界面。通过调控纤维长度系统优化跨尺度协同效应，实现结构功能一体化。

3. 超低密度下的性能突破：SFW-5M密度仅0.23 g·cm^-3，室温热导率低至64 mW·m^-1·K^-1，最小反射损耗达−46.62 dB，1000 °C火焰下背面温度仅约250 °C，在同一陶瓷气凝胶中实现宽带吸波与高效隔热的深度耦合。

4. “火致强化”效应：高温烧蚀后，有效吸收带宽从4.6 GHz大幅扩展至11.5 GHz（覆盖C、X、Ku波段，占2–18 GHz的72%），抗压峰值应力同步提升。热致界面交联与SiC@SiO₂核壳极化网络是内在强化机制，实现了“越烧越强”的反常性能演化。

四、研究结果及结论

本研究首先利用静电吸附与pH调控，在室温下驱动SiC纤维重力自组装成三维网络骨架（SFs）。随后浸渍硅氧烷前驱体，经CVI在纤维间空隙原位生长SiC纳米线，获得SFWs。通过精准调控纤维长度优化纳米线生长空间：SFW-5M中，5 mm长纤维构建出数百微米级开放大孔，消除扩散传质障碍，使纳米线均匀填充纤维间隙并包裹骨架，形成毫米-微米-纳米三级分级结构。

SFW-5M密度仅0.23 g·cm^-3。循环压缩测试中，SFW-5M在30%应变下应力保持率超90%，80%应变下峰值应力较纯纤维骨架显著提升，归因于纳米线作为三维互锁桥接结构与应力传递节点，有效抑制了纤维滑移与屈曲。

图 2 SFs微观结构及力学性能表征

图 3 SWFs微观结构及力学性能表征

纯SF骨架反射损耗（RL）均高于−10 dB，几乎无电磁吸收能力。引入纳米线后，SFW-5M的RL_min达−46.62 dB。多尺度损耗机制协同发力：毫米级纤维提供宏观反射与多重散射，纳米线网络提供强传导损耗，多相界面引发剧烈界面极化，纳米线内部缺陷则增强偶极弛豫损耗，实现“宽频带、强吸收”的电磁耗散。

图 4SFs和SFWs的电磁吸波性能

图 5 SFWs的电磁吸波机制

SF-5M热导率仅42 mW·m^-1·K^-1，SFW-5M仍低至64 mW·m^-1·K^-1。1000 °C火焰测试中，8 mm厚SFW-5M背面温度稳定维持在约250 °C，且烧蚀后结构完整无剥落，展现出优异的高温结构稳定性。

图 6 SFs和SFWs的隔热性能和高温稳定性

1000 °C烧蚀1 h后，表面SiO₂层在纤维接触点熔合形成颈状交联，抗压峰值应力从6.2 kPa跃升至10.5 kPa。更引人注目的是，SFW-5M的有效吸收带宽（EAB）从4.6 GHz大幅扩展至11.5 GHz（全覆盖C、X、Ku波段，占2–18 GHz的72%）。SiC@SiO₂核壳结构显著增强界面极化；表面氧化层优化了阻抗匹配，同时局域电荷跃迁增强耗散，协同实现宽频强吸收。这种“火致强化”现象打破了“高温即退化”的传统认知。

图 7 SFs和SFWs的“火致强化”效应

本研究通过室温陶瓷造纸法耦合CVI，成功制备跨尺度SiC_f/SiC_nw全陶瓷气凝胶，突破了单尺度材料的性能瓶颈，同时实现超低密度、高效隔热、宽带吸波与“火致强化”的有机统一。该“室温成型-高温生长-烧蚀强化”的多尺度设计范式，为极端空天环境下的多功能热防护系统提供了切实可行的技术路径。

五、作者及研究团队简介

何汝杰（通讯作者），北京理工大学教授，博士生导师。长期从事陶瓷及其复合材料先进制造与多功能结构设计研究，在增材制造（光固化、直写成形、粘接剂喷射等）与湿法柔性成型（陶瓷造纸术、陶瓷纤维针刺毡塑成型等）方面形成多工艺协同特色，重点关注成形机理与缺陷控制、轻量化强韧化结构设计、跨尺度力学及结构功能一体化构筑等。主持国家自然科学基金4项及各类国防/工程应用项目20余项。以第一/通讯作者发表SCI论文160余篇，总他引9000余次，入选ESI高被引论文10余篇、热点论文2篇；授权发明专利10余项。兼任轻量化多功能复合材料与结构北京市重点实验室副主任，中国复合材料学会陶瓷基复合材料分会副主任委员、热防护复合材料分会委员，中国生物材料学会口腔颅颌面材料分会委员等。担任Journal of Advanced Ceramics、npj Advanced Manufacturing、International Journal of Applied Ceramic Technology副主编，以及10余个国际/国内期刊编委/青年编委。

研究方向：陶瓷及其复合材料先进制造

个人主页：https://www.x-mol.com/groups/he_rujie

作者邮箱：herujie@bit.edu.cn

作者ORCID：0000-0003-2498-2363

陈晓彤（第一作者），北京理工大学先进结构技术研究院博士研究生，主要从事多功能碳化硅陶瓷气凝胶研究。以第一作者在Adv. Mater.、J. Adv. Ceram.、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A等期刊发表论文7篇。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）Zhang K, Meng Q, Qu Z, et al. Interlayer bonding in vat photopolymerization additive manufactured ceramics with enhanced mechanical properties. Journal of Advanced Ceramics, 2026, 15(5): 9221290. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221290

2）Zhang X, Su R, Gao X, et al. 3D-printed polyurea-toughened Al₂O₃ cellular ceramic structures: Bioinspired dual-phase interpenetrating design for superior mechanical properties. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(6): 9221095. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221095

3）Shan Y, Bai Y, Yang S, et al. 3D-printed strontium-incorporated β-TCP bioceramic triply periodic minimal surface scaffolds with simultaneous high porosity, enhanced strength, and excellent bioactivity. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(9): 1671-1684. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220787

4）Su R, Chen J, Zhang X, et al. Accuracy controlling and mechanical behaviors of precursor-derived ceramic SiOC microlattices by projection micro stereolithography (PμSL) 3D printing. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(11): 2134-2147. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220818

5）ZHANG X, ZHANG K, ZHANG B, et al. Mechanical properties of additively-manufactured cellular ceramic structures: A comprehensive study. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(12): 1918-1931. https://doi.org/10.1007/s40145-022-0656-5

6）HE R, ZHOU N, ZHANG K, et al. Progress and challenges towards additive manufacturing of SiC ceramic. Journal of Advanced Ceramics, 2021, 10(4): 637-674. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0484-z

7）FENG C, ZHANG K, HE R, et al. Additive manufacturing of hydroxyapatite bioceramic scaffolds: Dispersion, digital light processing, sintering, mechanical properties, and biocompatibility. Journal of Advanced Ceramics, 2020, 9(3): 360-373. https://doi.org/10.1007/s40145-020-0375-8

8）HE R, QU Z, LIANG D. Rapid heating thermal shock study of ultra high temperature ceramics using an in situ testing method. Journal of Advanced Ceramics, 2017, 6(4): 279-287. https://doi.org/10.1007/s40145-017-0240-6

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社有限公司出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的影响因子为14，连续6年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社有限公司自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。