摘要
航天器在深空服役中承受-200℃~200℃交变冷热循环严峻考验，隔热保温问题突出，导热系数低的超低密度隔热材料是保障航天器在深空长期稳定服役的关键。本文提出SiC纳米线增强碳泡沫新型复合材料，该材料由碳泡沫基体和充填于其中的SiC纳米线组成，平均孔径为12nm~14nm，100℃导热系数为0.036W/(m·K)，900℃导热系数为0.243W/(m·K)，体密度可低至5.56mg/cm3。 根据碳泡沫基体的结构参数和传热特性，本文通过密胺泡沫热解制得碳泡沫基体，溶液浸渍烘干负载Ni催化剂，化学气相渗透生长SiC纳米线。采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜表征泡沫微观结构，采用激光导热仪测量泡沫导热系数，采用比表面积仪表征泡沫孔径及其分布。在实验结果分析讨论基础上，研究了纳米线对泡沫隔热性能影响过程，分析了纳米线对泡沫强度增强机制，揭示了纳米线对泡沫应变行为影响规律，建立了泡沫形变模型。 本文主要创新性成果如下： （1）采用热处理稳定化和热解方法制备出了低密度低导热系数轻质碳泡沫。碳泡沫平均孔径为20μm~80μm、抗压强度为20kPa（60%压缩率）、室温导热系数为0.0256W/(m·K)。 （2）通过化学气相渗透制备出低密度低导热SiC纳米线增强碳泡沫。SiC纳米线制备条件为：0.01M硝酸镍酒精溶液处理碳泡沫，1050℃化学气相渗透2h。复合泡沫密度为5.56mg/cm3、平均孔径为13nm、抗压强度为71.54kPa、100℃导热系数为0.036W/(m·K)，900℃导热系数为0.055W/(m·K)、复合泡沫抗压强度是碳泡沫的3.5倍，平均孔径仅为碳泡沫的6.5‰。 （3）碳泡沫和复合泡沫的应变过程均为细长杆屈曲过程。基于泡沫八面体模型研究，SiC纳米线网络改变了碳泡沫的空间结构，同时也改变了碳泡沫的应变过程，对碳泡沫起到了空间支撑作用，实现了从20kPa到71.54kPa抗压强度的巨大提升。 （4）SiC纳米线网络对碳泡沫孔隙进行多次分割。基于碳泡沫骨架，SiC纳米线垂直生长，在碳泡沫孔隙中交叉填充，将平均44μm大孔分割成平均13nm小孔，抑制了复合泡沫内气体对流传热，降低了复合泡沫导热系数。
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