在高超声速飞行器等极端服役环境中，热防护材料是保障设备安全运行的关键屏障。传统陶瓷气凝胶虽具备优异的耐高温和隔热性能，但其“珍珠项链”状纳米颗粒网络结构导致材料极度脆性，且制备过程往往涉及复杂的溶胶-凝胶工艺、高温碳热还原或超临界干燥，能耗高、流程冗长，难以实现规模化生产。此外，氧化物陶瓷材料在超高温下热稳定性受限，而碳化硅（SiC）虽具有出色的热化学耐久性，但现有合成路线中残留的碳会显著影响其高温稳定性。如何在不增加工艺复杂性的前提下，让材料在服役过程中利用“热”实现自身强化，成为该领域长期未解的核心挑战之一。

受中国古代造纸术“打浆”与 “成纸”两步法的启发，北京理工大学何汝杰教授、李营教授团队开发出一种“陶瓷造纸术”室温组装策略，成功制备出超轻碳化硅纤维毡（SFM）。该材料密度仅为0.13 g·cm^-3，却能在1600 ℃火焰中实现“火中自强化”——抗压强度从原始的49 kPa跃升至206 kPa。其室温热导率低至42 mW·m^-1·K^-1，可承受80%压缩、135°弯曲和45°扭转而不破裂，并集成了实时温度测量功能。相关论文以“Ceramic Papermaking: A Facile Route to Fire-Strengthening, Multifunctional Ultralight SiC Fiber Mat”为题，发表在Advanced Materials上。

一、“打浆”与“成纸”，实现室温组装：研究团队通过模仿传统造纸的两个关键阶段实现了这一突破（图1a）。在“打浆”阶段，将十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）引入SiC纤维浆料中。CTAB的阳离子头基通过静电作用吸附在带负电的SiC纤维表面，形成双分子层，产生静电斥力和空间位阻；同时加入的气相二氧化硅纳米颗粒进一步阻止纤维团聚，获得均匀分散的“SiC纤维浆”（图1b-I）。在“成纸”阶段，滴加盐酸将pH调至3.0，高浓度H⁺中和纤维表面负电荷，CTAB脱附，纤维失去静电稳定作用，在重力驱动下快速沉降并自组装成湿坯（图1b-II），随后经80 ℃常压干燥即可获得无需任何高温烧结的SiC纤维毡（图1b-III）。界面化学表征证实了这一机制：傅里叶变换红外光谱显示，浆料中出现CTAB的C-H振动峰及气相SiO₂的Si-O-Si伸缩峰，而原始SiC纤维的Si-C特征峰完全消失（图2a）。X射线光电子能谱（XPS）进一步确认，高分辨C 1s谱中C-C/C-H和C-N物种占比高达97.87%，C-Si仅占0.85%，表明纤维表面被CTAB吸附层完全覆盖（图2b-e）。Zeta电位测量显示，pH 8.5时浆料呈+22.5 mV正电位，稳定时间超过25分钟；酸化至pH 3.0后电位归零，15分钟内完成沉降，高度降低超过80%（图2f-h）。

图1 SiC纤维毡“造纸术”示意图

图2 CTAB稳定的SiC纤维浆料的界面化学与胶体稳定性

二、结构-性能关系：SEM图像揭示了不同纤维长度对微观结构的影响（图3b）。采用1 mm短纤维制备的SFM1因堆积密集，密度为0.23 g·cm³；而3 mm和5 mm长纤维制备的SFM3和SFM5，因形成更松散的三维网络，密度分别降至0.17 g·cm³和0.13 g·cm³（图3c）。XRD显示，所有样品保持非晶结构，约35.6°处呈单一宽泛衍射峰，证明造纸过程未引发结晶（图3a）。这种超轻特性使SFM5可轻松置于蒲公英上而不使其变形。力学测试表明，SFM5表现出典型的三阶段力学行为：低应变区线性弹性弯曲、平台区孔壁坍塌与纤维滑移能量耗散、高应变区网络致密化（图3d）。材料可承受80%压缩（图3e），同时可进行135°弯曲和45°扭转而不断裂，展现出卓越的柔韧性（图3f）。

图3 SiC纤维毡的结构-性能图谱 

三、“火中自强化”机制与力学性能演变：静态氧化烧蚀实验（图4b）显示，随着温度从1000 ℃升至1600 ℃，SFM5的质量变化率从1.38%降至0.45%（图4c）。XRD表明材料始终保持非晶态（图4d）。SEM和能谱分析揭示核心机理：高温氧化过程中，SiC纤维表面形成致密非晶SiO₂氧化层，且随温度升高逐渐增厚（图4e-f）。透射电镜（TEM）确认，1600℃时纤维交叉节点处的SiO₂层发生熔融烧结，将相邻纤维牢固焊接，形成稳定节点连接（图4g）。这种“火中自强化”效应使抗压强度从49 kPa提升至206 kPa，实现四倍以上增长，而整体骨架仅发生1.23%质量损失。

图4 SFM5的高温氧化行为与“火中自强化” 

烧蚀前后力学性能的演变机制清晰（图5）：原始SFM5在约20%应变范围内呈线弹性变形。经1400 ℃时达192 kPa；1600 ℃后达到206 kPa的最高值，约为原始强度的4.2倍（图5a-b）。极限应变方面，1600℃烧蚀后仍可承受超过80%压缩而不发生灾难性破坏。焊接节点显著提高了抗压强度和刚度，但纤维本体未发生脆化，而是通过节点处氧化硅"粘接"实现了载荷在三维网络中的有效传递和重新分布（图5c-d）。

图5 SFM5的“火中自强化”效果

四、热屏蔽性能：隔热性能是热防护材料的核心指标。研究团队对8 mm厚SFM5样品进行了多种热源测试：（1）丁烷喷灯火焰（~1000 ℃）： 持续灼烧30分钟，正面温度约1000℃，背面温度60秒内升至372.9℃后进入平台期（图6a-b），实现67.5%温降。经10次重复烧蚀循环，背面温度始终稳定在400℃以下，证明可靠的可重复使用性（图6c）。（2）酒精灯火焰（~400 ℃）： 8 mm厚SFM5可保护新鲜花朵3分钟内不枯萎，对照花朵仅15秒即枯萎（图6d）。（3）宽温域测试（100-400 ℃）： 背面温度始终比热面降低超过50%（图6e）。热导率测量显示，SFM5室温下仅为42 mW·m^-1·K^-1，比致密SiC低四个数量级；400℃时也仅增至80 mW·m^-1·K^-1（图6f）。（4）动态气动热流测试： 为模拟真实空气动力学加热环境，团队进行了1000 ℃火焰冲击与30 m/s切向气流的联合动态烧蚀测试（图6g）。30分钟后样品尺寸稳定，仅冲击面轻微变色（图6h-I）。高倍SEM显示，切向气流驱动熔融SiO₂沿气流方向流动并重新凝固为拉长液滴，同时氧化层剥落暴露新鲜SiC继续氧化形成纳米多孔表面层，能谱证实氧元素在气流方向优先流失（图6h-II、III）。30分钟动态烧蚀导致约4.04%质量损失，远高于静态氧化的0.45%，但净侵蚀率仍低于5%，证明SFM5在高温高速气流环境中具备优异的抗气动热侵蚀能力（图6i）。

图6 SFM5在静态与气动热流下的热屏蔽性能 

五、多功能集成：“陶瓷造纸术”的另一显著优势在于材料的可修复性和复杂成型能力。传统陶瓷热防护材料损伤后通常需高温烧结修复，而SFM5只需在受损区域刷涂新鲜CTAB稳定化SiC纤维浆料，纤维数分钟内即可沉降并与原始网络交织，室温干燥后原位修复，无需加热炉、真空或固化剂（图7a）。由于成型仅依赖液体中的重力沉降，SFM5可直接浇注成大尺寸整体板材（12×12 cm）、曲面瓦片乃至自由形态构件，复杂字母和徽标均可精确复刻（图7b-c）。与文献报道的多数SiC气凝胶（抗压强度20-140 kPa、耐受温度1000-1200℃）相比，SFM5实现了206 kPa抗压强度和1600℃结构完整性，在强度-温度Ashby图中占据右上角优势区域，且无需任何高温合成步骤（图7d）。

研究团队还巧妙利用塞贝克效应，在浆料浇注过程中嵌入异种金属热电偶线，将热防护与实时测温功能集成于一体。厚度方向存在温度梯度时，热端电荷载流子向冷端迁移产生开路电位，与温差呈线性关系（图7e）。当热面从室温升至600℃时，冷端电压约1分钟内达稳定最大值，稳态电压误差小于±0.3 mV。通过标定电压-温度关系，嵌入式热电偶可将热面温度预测偏差控制在±10 ℃以内（图7f-g），实现了无需额外测温硬件的“自带温度计”式热防护。

图7 SFM5的多功能性展示

总结而言，这项研究从中国古代造纸术中汲取灵感，仅通过重力沉降和80 ℃常压干燥即可实现SiC纤维室温组装，彻底避开了溶胶-凝胶、高温合成等复杂工艺。所获得的超轻SiC纤维毡兼具0.13 g·cm^-3超低密度、135°弯曲和45°扭转的柔韧性、80%压缩的形变恢复能力，以及1600℃火焰中通过SiO₂桥接烧结实现抗压强度四倍增长的“火中自强化”特性。该材料可阻挡超过50%热流，气动加热条件下侵蚀率仅4%，且具备可修复性、任意几何成型能力和集成化实时测温功能。这种将服役热量转化为原位强化手段的“陶瓷造纸术”策略，为航空航天等极端环境提供了一种轻质、耐火、可测温、可修复且可规模化制备的新一代热防护解决方案。

论文第一作者为北京理工大学博士研究生陈晓彤，通信作者为李营教授、何汝杰教授、王文清博士后。

 

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73380