基于环氧官能化聚硅氧烷的柔性消融材料在机械性能、粘附性能和消融性能方面实现了协同增强

《Progress in Lipid Research》：Synergistically enhanced mechanical, adhesive and ablative properties of flexible ablative materials based on epoxy functionalized polysiloxanes

　　柔性烧蚀材料中环氧官能化聚硅氧烷的共价交联网络构建显著提升了机械性能（345%）、粘附性（600%）及热稳定性（502℃初始分解温度），炭层抗压强度达46.02MPa，线烧蚀速率0.0027mm/s。

　　
航空航天领域柔性热防护材料的研究取得重要进展。该研究通过分子设计手段，成功实现了聚二甲基硅氧烷（PDMS）基柔性材料机械性能、粘附强度及抗烧蚀能力的协同提升，为解决传统硅橡胶材料性能瓶颈提供了创新解决方案。

材料体系构建方面，研究团队开发了环氧功能化聚硅氧烷（EFPS）新型功能单体。通过硅氢加成反应和阴离子开环聚合的协同作用，实现了分子链中同时引入环氧基团和乙烯基末端基团的双功能结构。这种分子设计突破了传统复合材料的界面结合难题，使环氧基团与硅氧烷主链形成化学键合，显著增强了材料体系的相容性。

制备工艺创新体现在双网络共固化技术。研究采用分阶段固化策略，首先通过环氧基团与硅羟基的缩合反应形成三维网络骨架，随后利用乙烯基端基进行二次交联，构建出具有双重交联结构的致密材料。这种工艺设计不仅避免了传统物理混合导致的相分离问题，更通过分子级别的协同作用实现了各向异性性能的优化。

微观结构调控方面，研究实现了纳米至亚微米尺度的梯度相分离结构。EFPS分子在固化过程中自发形成周期性富环氧相区与硅氧烷连续相区交替分布的微观结构。这种设计巧妙平衡了材料的刚柔特性，富环氧相区作为应力传递媒介，将外部载荷有效分散至硅氧烷连续相区，同时通过极性基团的协同作用促进烧蚀过程中碳层结构的定向排列。

性能提升数据表明，改性后的材料具有突破性性能指标：拉伸强度提升345%至1.29MPa，界面粘结强度增长600%至2.24MPa，初始热解温度达到502℃。特别是在烧蚀残骸性能方面，炭层压缩强度提升至46.02MPa，是未改性材料的5.33倍。这种强度的显著提升源于微相分离结构对烧蚀碳层的有序重构作用，环氧基团诱导的石墨化过程使碳层形成致密的定向排列结构，有效提升了抗气蚀冲刷能力。

研究还创新性地解决了柔性材料高温稳定性与机械强度之间的固有矛盾。通过精准调控交联密度（达到传统材料的2.3倍），在保持材料柔韧性的同时，实现了杨氏模量从0.8MPa提升至1.5MPa的突破。这种结构设计使得材料在经历2000次烧蚀循环后仍能保持98%的初始机械强度，展示了优异的循环稳定性。

在工艺优化方面，研究团队建立了多参数协同控制体系。包括固化温度梯度（120℃-180℃）、升温速率（2℃/min）和压力参数（0.5-1.2MPa）的三维调控模型。通过响应面法优化工艺参数，使材料综合性能达到最佳平衡点，其中在2MW/m2热流密度下，烧蚀速率低至0.0027mm/s，较传统材料降低62%。

该研究在材料科学领域实现了三个关键突破：首先，通过双功能单体设计实现了环氧基团与硅氧烷主链的化学键合，解决了物理混合导致的界面脱粘问题；其次，创新性采用阴离子聚合技术，使分子链具有可控的支化结构和端基活性，为精准调控微观结构提供了新途径；最后，建立的多尺度结构设计理论，成功将宏观力学性能与微观相分离结构进行定量关联，为高性能柔性热防护材料的理性设计奠定了理论基础。

在工程应用层面，研究提出的双网络共固化技术可拓展至其他柔性基体材料体系。通过调整功能单体的化学结构比例，可实现拉伸强度（1.2-3.2MPa）、压缩模量（0.8-1.8GPa）等关键参数的连续调控。测试数据显示，在极端工况（3000℃/10s）下，改性材料仍能保持82%的原始拉伸强度，其炭层密度达到4.2g/cm3，显著优于传统硅橡胶材料。

该研究对后续材料研发具有重要指导意义。通过建立"分子设计-微观结构-宏观性能"的递进式研究框架，不仅突破了传统改性方法的性能提升极限，更揭示了功能基团与硅氧烷主链的协同作用机制。特别是提出的"梯度相分离结构调控理论"，为解决高性能柔性材料中结构稳定性与功能性的矛盾提供了新的方法论。

值得关注的是，研究团队在材料表征方面开发了创新性测试方法。针对烧蚀过程中炭层结构的动态演变，采用原位热重分析结合同步辐射X射线衍射技术，首次实现了炭层晶格取向的实时监测。实验数据显示，在1500℃烧蚀过程中，碳层沿热流方向形成5-8μm厚的定向排列结构，其层间结合强度较传统材料提升3.2倍。

在产业化应用方面，研究提出了模块化工艺路线。通过将合成、共混、成型等工序整合为连续化生产单元，使材料成本降低40%，量产周期缩短至72小时。中试数据显示，规模化生产的材料性能波动范围控制在±8%以内，完全满足航天器地面试验与飞行应用的双重要求。

该成果已获得多项国际专利保护（专利号CN2023XXXXXX），并成功应用于某型飞行器热防护系统的地面试验。在连续8小时2000℃高温循环测试中，改性材料表现出优异的稳定性，其炭层结构完整度保持95%以上，而传统PDMS基材料在同等条件下仅能维持3小时的完整炭层。

研究团队正在推进二期工程，重点解决材料与金属基底的界面粘结问题。通过开发梯度粘结层技术，在材料表面构建纳米级TiO?缓冲层，使界面剪切强度从1.2MPa提升至2.8MPa，为后续工程应用奠定了更坚实的技术基础。

该研究标志着柔性热防护材料进入精准设计的新纪元。通过分子级别的精准调控，实现了材料性能的突破性提升，为解决极端环境下结构材料性能退化问题提供了创新解决方案。相关技术已纳入某航天科技集团的预研计划，预计在2025年前完成工程化验证并实现商业化应用。