20 世纪60年代, 国际上首次开发出碳泡沫材料。由于机械性能等的局限性，应用范围很窄。90年代出现了用沥青和煤制备的新一代碳泡沫。这类材料采用特殊的工艺方法, 经高温热处理形成一种新型结构和功能材料。该材料同时具备碳和泡沫材料的一般特点, 这两种材料特点的结合形成了碳泡沫材料无可比拟的优点。

碳泡沫材料由于重量轻及高性能等特点，而成为了一种在航空航天领域极具前景的新绝缘材料。

此前研究人员曾利用香蕉和西瓜等食物制备碳泡沫材料。 近日哈尔滨工业大学航天学院彭庆宇研究团队却以烤焦的面包为材料制造出碳泡沫材料，同样具有隔热、电磁屏蔽等性能。该研究结果发表在美国化学学会主办的《美国化学会:应用材料与界面》期刊上。

研究人员首先将面包放入烤箱烘干,并将温度设定在80℃，整个过程持续18小时。随后面包被放入一个使用氩气的特殊熔炉中，将其煅烧成碳泡沫。 利用这种方法得到的碳泡沫材料与其他的碳泡沫具有相同的性能。此外，这种碳泡沫材料比现有的材料阻燃性更好，成本也更低。

碳泡沫材料因具有特殊性质, 可用于多种领域；在航天领域的应用主要有：

1、用于火箭发动机。因该材料具有大强度，具有较好的极端条件下的热性能，为固体发动机喷管中替代目前常用的金属合金、碳/碳或碳酚醛复合材料提供了可能性, 另还可用于推力矢量控制的智能喷管设计和流量调节。

2、用于热防护系统。先进热防护系统(TPS)的主要功能是保护底层结构免受剧热, 并可包覆飞行器外层, 从而保证外部表面的功能。TPS 的结构须具完整性, 在飞行器执行任务整个过程中, 在所有环境载荷作用下维持可接受的飞行器表面轮廓。因极高的使用温度、较优的抗热冲击性能和尺寸稳定性、随温度升高材料强度性能上升等特性, 未来的TPS可选用碳泡沫和石墨泡沫材料。另外, 碳和石墨的辐射性高, 热膨胀系数低, 且在低温和高温状态可自支持。在热管理体系中, 可分别利用其热绝缘或热导通特性, 当设计合适时碳泡沫和石墨泡沫材料可用于有效的热防护和飞行器巨大表面积的热能转移。

3、用于天线。如先进电子扫描孔径(AESA)和合成孔径雷达(SAR)等现代雷达系统能获得高性能的成像, 但天线大小、尺寸稳定性和电性能会影响其特性。碳泡沫材料具极优的物理与电性能组合的可调性, 可按要求的电阻、介电常数和雷达反射系数进行设计制造, 在温度变化和振动状态下具优良的空间稳定性, 且质轻价廉, 根据设计结构形状实现近净制造。

4、用于光学镜。其特有的低热膨胀系数（CTE）、高比刚度与热导率可简化冷却方式, 使由温度变化产生的变形最小化, 为空间电子望远镜和高功率激光轻质光学镜提供了一种潜能巨大的材料。

5、用于夹层结构。可综合防火、轻质, 以及雷达/电磁屏蔽和吸收等性能。

文章链接：

Ye Yuan, Yujie Ding, Chunhui Wang, Fan Xu, Zaishan Lin, Yuyang Qin, Ying Li, Minglong Yang,Xiaodong He, Qingyu Peng, and Yibin Li, "Multifunctional Stiff Carbon Foam Derived from Bread," ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8 (26), pp 16852–16861, DOI: 10.1021/acsami.6b03985

彭庆宇副教授简介：

哈尔滨工业大学航天学院副教授，Email：pengqingyu@hit.edu.cn

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研究方向：多尺度多功能增强复合材料的设计与制备；多尺度复合材料界面增强机制研究；纳米碳(石墨烯、碳纳米管)宏观体与增强体的设计与制备；4.纳米碳宏观体的功能应用。

（本文信息来源：哈工大网；由e科网整理编辑）

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