DOI: https://doi.org/10.26599/nr.2026.94908599
تاريخ النشر: 2026-02-28
المؤلف: Baojie Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأيروجيلات والعزل الحراري
نظرة عامة
تقدم البحث تطوير هلامات هوائية مركبة من الألياف النانوية من الموليت/SiC (MSNCAs) تهدف إلى تعزيز أنظمة الحماية الحرارية للمركبات الأسرع من الصوت. يتناول الدراسة قيود هلامات الألياف النانوية التقليدية من الموليت، وبشكل خاص توصيلها الحراري العالي عند درجات الحرارة العالية ووظيفتها. من خلال دمج كرات فارغة من SiC وأسلاك نانوية من SiC، تحقق MSNCAs تصميمًا متعدد الوظائف يوفر درعًا فعالًا للأشعة تحت الحمراء وامتصاصًا قويًا لموجات الكهرومغناطيسية (EMW). يظهر الهلام المركب توصيلًا حراريًا قدره 0.0516 واط/(م·ك) عند 1000 درجة مئوية وانخفاضًا كبيرًا قدره 61.54% في النفاذية للأشعة تحت الحمراء ضمن نطاق 2.5 إلى 8 ميكرومتر، مما يدل على قدرات عزل حراري متفوقة.
تكشف النتائج أن MSNCAs تمتلك كثافة منخفضة (33.12-45.23 ملغم/سم³)، ومساحة سطح محددة كبيرة (تصل إلى 82.45 م²/غ)، واستقرار هيكلي ممتاز مع انكماش طفيف (12.87%). تعزز الشبكة الفريدة “الألياف-السلك النانوي” التي تتشكل من النمو القابل للتحكم في أسلاك SiC النانوية داخل هيكل ألياف الموليت الأداء العام للمادة. ومن الجدير بالذكر أن MSNCA-15 تحقق خسارة انعكاسية قدرها -54.85 ديسيبل عند 14.16 غيغاهرتز مع عرض نطاق امتصاص فعال قدره 4.88 غيغاهرتز عند سمك 1.8 مم، مما يظهر قدرتها على امتصاص EMW عبر نطاق واسع وزوايا متعددة. يوفر هذا البحث استراتيجية تصميم هيكلي جديدة للمواد المركبة الخفيفة التي تجمع بين العزل الحراري الفعال وخصائص التخفي الكهرومغناطيسي.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الحاجة الملحة لأنظمة الحماية الحرارية المتقدمة في المركبات الأسرع من الصوت، التي يجب أن تعمل تحت ظروف تسخين هوائي شديد وبيئات كهرومغناطيسية معقدة. المواد التقليدية ذات الوظيفة الواحدة غير كافية لهذه الظروف، مما يدفع لاستكشاف مواد مركبة جديدة ذات هياكل متعددة المقاييس يمكن أن توفر كل من العزل الحراري وامتصاص موجات الكهرومغناطيسية (EMW). تم تحديد هلامات الألياف النانوية من الموليت (MNAs) كمرشحين واعدين بسبب كثافتها المنخفضة، وارتفاع مساميتها، واستقرارها الحراري المتفوق. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات في التحكم في حجم المسام والشكل، بالإضافة إلى التخفيف من انتقال الحرارة الإشعاعي عند درجات الحرارة العالية، مما يمكن أن يزيد بشكل كبير من التوصيل الحراري.
لمعالجة هذه التحديات، تقترح الدراسة دمج كربيد السيليكون (SiC) في MNAs، مستفيدة من استقراره عند درجات الحرارة العالية وخصائصه الكهرومغناطيسية المواتية. تفصل الأبحاث طريقة دمج كرات فارغة من SiC وأسلاك نانوية في هيكل ألياف الموليت، مما يخلق شبكة ثلاثية الأبعاد متداخلة تعزز العزل الحراري بينما توفر درعًا للأشعة تحت الحمراء وقدرات امتصاص EMW. تهدف الورقة إلى التحقيق بشكل منهجي في تأثير محتوى أسلاك SiC النانوية على البنية الدقيقة وأداء هذه الهلامات المركبة، مما يساهم في تطوير مواد حماية حرارية متعددة الوظائف مناسبة للمركبات الأسرع من الصوت من الجيل التالي.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في إجراءاتهم التجريبية. تم الحصول على بولي فينيل بيروليدون (PVP) بوزن جزيئي قدره 1,300,000 وC₁₂H₂₇AlO₃ (96%) من شركة شنغهاي علاء الدين للتكنولوجيا الكيميائية المحدودة. بالإضافة إلى ذلك، تم تصنيع كرات فارغة من الكربون/كربيد السيليكون (C/SiC) تتراوح أحجامها من 300 إلى 500 نانومتر، بالإضافة إلى هلام من الكربون/السيليكا (C/SiO₂) في المنزل. تم الحصول على مواد كيميائية أخرى، بما في ذلك C₃H₈O (99.7%)، N,N-dimethylformamide (DMF، درجة كاشف تحليلي)، C₆H₁₀O₃ (درجة كاشف تحليلي)، وpolymethylhydrosiloxane (PMHS)، من شركة سينوفارم للمواد الكيميائية، وتم استخدام جميع المواد الكيميائية دون مزيد من التنقية. تعتبر هذه الاختيارات الدقيقة للمواد حاسمة لضمان سلامة وموثوقية النتائج التجريبية.
نتائج
يقدم قسم النتائج تحليلًا شاملاً للخصائص الهيكلية والوظيفية لكرات C/SiC الفارغة المدمجة في مصفوفة ألياف الموليت، كاشفًا عن تقدم كبير في أداء المواد. تؤكد صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM) التوزيع المتجانس لكرات C/SiC الفارغة، التي تتراوح أحجامها من 300 إلى 500 نانومتر، ونجاح دمجها في ألياف الموليت، التي تظهر قطرًا يبلغ حوالي 700 نانومتر. تؤكد تحليلات طيف الطاقة المشتت (EDS) وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD) وجود الكربون والسيليكون والألمنيوم، إلى جانب تشكيل β-SiC، مما يدل على دمج فعال للكرات الفارغة وتشكيل أسلاك SiC النانوية من خلال الاختزال الكربوني الحراري أثناء المعالجة عند درجات الحرارة العالية.
يكشف تحليل التحليل الحراري الوزني-الحراري التفاضلي (TG-DSC) عن فقدان كتلة على مرحلتين أثناء التسخين، يُعزى إلى تبخر الرطوبة وتحلل الروابط العضوية، تليها تشكيل أسلاك SiC النانوية. يعزز إدخال أسلاك SiC النانوية السلامة الهيكلية وخصائص العزل الحراري للهلامات، كما يتضح من انخفاض التوصيل الحراري وزيادة القوة الانضغاطية. ومن الجدير بالذكر أن عينة MSNCA-15 تظهر قدرات امتصاص موجات كهرومغناطيسية (EMW) متفوقة، حيث تحقق خسارة انعكاسية قدرها -54.85 ديسيبل عند سمك 1.8 مم و14.16 غيغاهرتز، متفوقة على العينات الأخرى. تؤدي التأثيرات التآزرية لهندسة “الألياف-السلك النانوي-الكرة الفارغة” الهرمية إلى تحسين مطابقة المعاوقة وتعزيز آليات تفريغ الطاقة، مما يؤدي إلى امتصاص فعال لموجات EMW عبر نطاق تردد واسع وزوايا متعددة.
مناقشة
في هذه الدراسة، يوضح المؤلفون إعداد وتوصيف هلامات هوائية مركبة من الألياف النانوية من الموليت/SiC (MSNCAs) من خلال عملية متعددة الخطوات تشمل النسيج الكهربائي، والتشابك، والتفحم. تبدأ العملية بتكوين تعليق ألياف من كرات C/SiC الفارغة ومجموعة متنوعة من المواد الكيميائية السابقة، تليها عملية النسيج الكهربائي لإنشاء أغشية من الألياف النانوية. تخضع هذه الأغشية لمعالجة حرارية لإنتاج هلام هوائي مركب يدمج أسلاك SiC النانوية التي نمت في الموقع. يتم تصنيف العينات بناءً على تركيز هلام C/SiO₂، مما يؤدي إلى تسميات مميزة (MSNCA-5، MSNCA-10، MSNCA-15) للتحليل المقارن مقابل عينة التحكم (MNA) المعدة باستخدام هلام SiO₂.
يكشف توصيف MSNCAs عن نتائج مهمة تتعلق بخصائصها الهيكلية والحرارية. تظهر الهلامات كثافات منخفضة (33.12-45.23 ملغم/سم³)، ومساحات سطح محددة عالية (تصل إلى 82.45 م²/غ)، وقدرات عزل حراري ملحوظة، مع توصيل حراري قدره 0.0516 واط/(م·ك) عند 1000 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر استقرارًا حراريًا ممتازًا (~1200 درجة مئوية) ودرعًا فعالًا للأشعة تحت الحمراء (61.54% انخفاض في النفاذية في نطاق 2.5-8 ميكرومتر). ومن الجدير بالذكر أن النسخة MSNCA-15 تحقق حد أدنى من خسارة الانعكاس (RL min) قدره -54.85 ديسيبل عند 14.16 غيغاهرتز مع سمك 1.8 مم، مما يدل على أداء متفوق في امتصاص موجات الكهرومغناطيسية (EMW) عبر نطاق زاوي واسع. تشير هذه النتائج إلى أن MSNCAs المصممة تمتلك خصائص ميكانيكية محسنة وعزل حراري، مما يجعلها مواد واعدة للتطبيقات عالية الحرارة وتقنيات امتصاص EMW.
DOI: https://doi.org/10.26599/nr.2026.94908599
Publication Date: 2026-02-28
Author(s): Baojie Zhang et al.
Primary Topic: Aerogels and thermal insulation
Overview
The research presents the development of hierarchical mullite/SiC nanofiber composite aerogels (MSNCAs) aimed at enhancing thermal protection systems for hypersonic vehicles. The study addresses the limitations of traditional mullite nanofiber aerogels, specifically their high-temperature thermal conductivity and functionality. By integrating SiC hollow spheres and SiC nanowires, the MSNCAs achieve a multifunctional design that provides effective infrared shielding and strong electromagnetic wave (EMW) absorption. The composite aerogel demonstrates a thermal conductivity of 0.0516 W/(m·K) at 1000 °C and a significant reduction of 61.54% in infrared transmittance within the 2.5 to 8 μm range, indicating superior thermal insulation capabilities.
The findings reveal that the MSNCAs possess a low density (33.12-45.23 mg/cm³), a large specific surface area (up to 82.45 m²/g), and excellent structural stability with minimal shrinkage (12.87%). The unique “fiber-nanowire” network formed by the controllable growth of SiC nanowires within the mullite fiber skeleton enhances the overall material performance. Notably, MSNCA-15 achieves a reflection loss of -54.85 dB at 14.16 GHz with an effective absorption bandwidth of 4.88 GHz at a thickness of 1.8 mm, showcasing its capability for broadband, wide-angle EMW absorption. This study provides a novel structural design strategy for lightweight composite materials that combine efficient thermal insulation and electromagnetic stealth properties.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the urgent need for advanced thermal protection systems in hypersonic vehicles, which must operate under extreme aerodynamic heating and complex electromagnetic environments. Traditional single-function materials are inadequate for these conditions, prompting the exploration of novel composite materials with multiscale structures that can provide both thermal insulation and electromagnetic wave (EMW) absorption. Mullite nanofiber aerogels (MNAs) are identified as promising candidates due to their low density, high porosity, and superior thermal stability. However, challenges remain in controlling pore size and morphology, as well as mitigating high-temperature radiative heat transfer, which can significantly increase thermal conductivity.
To address these challenges, the study proposes the incorporation of silicon carbide (SiC) into MNAs, leveraging its high-temperature stability and favorable electromagnetic properties. The research details a method for integrating SiC hollow spheres and nanowires into the mullite fiber skeleton, creating a three-dimensional interpenetrating network that enhances thermal insulation while providing infrared shielding and EMW absorption capabilities. The paper aims to systematically investigate the impact of SiC nanowire content on the microstructure and performance of these composite aerogels, ultimately contributing to the development of multifunctional thermal protection materials suitable for next-generation hypersonic vehicles.
Methods
In this section, the authors detail the materials utilized in their experimental procedures. Polyvinylpyrrolidone (PVP) with a molecular weight of 1,300,000 and C₁₂H₂₇AlO₃ (96%) were sourced from Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd. Additionally, hollow carbon/silicon carbide (C/SiC) spheres, ranging from 300 to 500 nm, along with a carbon/silica (C/SiO₂) sol, were synthesized in-house. Other reagents, including C₃H₈O (99.7%), N,N-dimethylformamide (DMF, analytical reagent grade), C₆H₁₀O₃ (analytical reagent grade), and polymethylhydrosiloxane (PMHS), were procured from Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., and all chemicals were employed without further purification. This careful selection of materials is critical for ensuring the integrity and reproducibility of the experimental results.
Results
The results section presents a comprehensive analysis of the structural and functional properties of C/SiC hollow spheres incorporated into a mullite fiber matrix, revealing significant advancements in material performance. Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM) images confirm the uniform dispersion of C/SiC hollow spheres, with sizes ranging from 300 to 500 nm, and their successful integration into the mullite fibers, which exhibit a diameter of approximately 700 nm. Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) and X-ray Diffraction (XRD) analyses further validate the presence of carbon, silicon, and aluminum, alongside the formation of β-SiC, indicating effective incorporation of the hollow spheres and the formation of SiC nanowires through carbothermal reduction during high-temperature treatment.
Thermogravimetric-Differential Scanning Calorimetry (TG-DSC) analysis reveals a two-stage mass loss during heating, attributed to the evaporation of moisture and decomposition of organic binders, followed by the formation of SiC nanowires. The introduction of SiC nanowires enhances the structural integrity and thermal insulation properties of the aerogels, as evidenced by reduced thermal conductivity and improved compressive strength. Notably, the MSNCA-15 sample demonstrates superior electromagnetic wave (EMW) absorption capabilities, achieving a reflection loss of -54.85 dB at 1.8 mm thickness and 14.16 GHz, outperforming other samples. The synergistic effects of the hierarchical “fiber-nanowire-hollow sphere” architecture optimize impedance matching and enhance energy dissipation mechanisms, leading to effective EMW absorption across a wide frequency range and angles.
Discussion
In this study, the authors detail the preparation and characterization of mullite/SiC nanofiber composite aerogels (MSNCAs) through a multi-step process involving electrospinning, cross-linking, and pyrolysis. The process begins with the formation of a fibrous suspension from hollow C/SiC spheres and various chemical precursors, followed by electrospinning to create nanofiber membranes. These membranes undergo thermal treatment to yield a composite aerogel that incorporates in situ-grown SiC nanowires. The samples are categorized based on the concentration of the C/SiO₂ precursor sol, resulting in distinct labels (MSNCA-5, MSNCA-10, MSNCA-15) for comparative analysis against a control sample (MNA) prepared with SiO₂ sol.
The characterization of the MSNCAs reveals significant findings regarding their structural and thermal properties. The aerogels exhibit low densities (33.12-45.23 mg/cm³), high specific surface areas (up to 82.45 m²/g), and remarkable thermal insulation capabilities, with a thermal conductivity of 0.0516 W/(m·K) at 1000 °C. Additionally, they demonstrate excellent thermal stability (~1200 °C) and effective infrared shielding (61.54% reduction in transmittance in the 2.5-8 μm range). Notably, the MSNCA-15 variant achieves a minimum reflection loss (RL min) of -54.85 dB at 14.16 GHz with a thickness of 1.8 mm, indicating superior electromagnetic wave (EMW) absorption performance across a broad angular range. These results suggest that the designed MSNCAs possess enhanced mechanical properties and thermal insulation, making them promising materials for high-temperature applications and EMW absorption technologies.