科学网—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-清华大学出版社学术期刊的博文

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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@SiO 2 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 SiO 2 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@SiO 2 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 Al 2 O 3 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。

期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508

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