A multifunctional ZrC porous ceramic fabricated via a direct foaming method with load- bearing, thermal insulation, and electromagnetic wave absorption properties
通过聚合物诱导自发泡法成功制备出一种具有独特三维连通微球结构的多元功能多孔碳化锆（ZrC）陶瓷，实现了高抗压强度（23.6 MPa）、优异隔热性能（0.254 W·m⁻¹·K⁻¹）以及卓越电磁波吸收能力（-28.87 dB）的最佳平衡。
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当飞行器以超音速进入大气层时，它面临着极其严酷的挑战。空气摩擦产生的剧烈热量足以熔化大多数材料，同时飞行器还必须承受沉重的结构载荷，并保持对敌方雷达的隐身能力。传统上，工程师通过堆叠不同的材料层来解决这些问题：一个坚固的金属框架来维持形状，一层蓬松的绝缘层来隔绝热量，以及一种特殊的涂层来吸收雷达波。然而，堆叠这些独立的部件会增加重量，并会在压力下产生层间剥离的薄弱点。下一代航空航天设计的目标是寻找一种能够同时胜任这三项工作的单一材料：承重、隔热并实现雷达隐身。
西北工业大学和陕西理工大学的研究人员开发出了一种新型陶瓷，试图解决这一难题。他们创造了一种由碳化锆制成的轻质多孔材料，这种物质以能在极端温度下生存而闻名。通过精确控制制造该材料时的化学配方，他们生产出一种充满微小连通孔隙的陶瓷。这种结构使材料能够同时作为坚固的建筑模块、热屏蔽层和雷达吸收体。研究小组发现，只需通过调整制造过程中碳与锆的混合比例，就可以调节材料的特性，从而实现强度与绝缘性能之间罕见的平衡。
该过程始于两种常见的化学物质：氯化锆和木薯醇（一种源自植物物质的液体）。研究人员将两者混合，引发液体自发转化为泡沫，从而在无需任何外部模具或发泡剂的情况下，创造出一个固体但具有多孔结构的“生坯”。随后，这个生坯被放入炉中进行极高温度的加热。在加热过程中，发生了被称为碳热还原的化学反应，即木薯醇中的碳与锆发生反应，形成最终的碳化锆陶瓷。在此反应过程中释放的气体有助于维持其多孔的海绵状结构。团队制作了四种不同版本的陶瓷，每种版本的碳与锆的比例略有不同，以观察成分平衡如何影响最终产品。
结果表明，添加碳的量是解锁材料全部潜力的关键。随着研究人员增加碳含量，构成陶瓷的微小颗粒变得更大且更光滑，材料内部的孔隙也变得更加均匀且相互连通。这种微观结构的变化对材料性能产生了深远影响。含碳量最高的样本具有71%的孔隙率，事实证明它是最成功的。它拥有一个由微小球体组成的紧密结合的三维网络，赋予了材料23.6兆帕的抗压强度。从这个角度来看，这一强度水平足以支撑显著的重量，使其在其他多孔陶瓷会直接破碎的航空航天应用中具备可行性。
除了强度之外，该材料还展示了卓越的阻热能力。当研究人员通过将陶瓷加热至300摄氏度并保持10分钟来评估其隔热性能时，另一侧仍能保持惊人的凉爽。表现最好的样本将其表面温度保持在仅99.5摄氏度，与含碳量较低的样本相比，这是一个显著的降幅。其热传导率测得为0.254瓦每米-开尔文，这是一个极低的值，表明热量很难穿过该材料。大量微小的孔隙捕捉了空气（空气是热量的不良导体），有效地形成了一道屏障，减缓了热能的传递。这表明该材料可以保护航天器的敏感内部组件免受大气层再入时灼热温度的影响。
或许最令人瞩目的发现是该材料吸收电磁波的能力，这对于雷达隐身至关重要。研究人员测试了该陶瓷在广泛频率范围内吸收雷达信号的能力。他们发现，碳含量最高的样本吸收能量最多，与标准金属表面相比，它将雷达波的反射降低了近1,000倍。从技术层面讲，该材料实现了接近-28.87分贝的最小反射损耗，这意味着在特定频率下，它可以吸收99.9%的入射雷达波。这种吸收效果非常出色，覆盖了广泛的频率范围，使得该材料能够让飞行器在许多不同角度下都难以被雷达探测。
这种吸收机制源于陶瓷独特的结构。碳化锆球体的互连网络允许电子自由移动，从而创造出一条将电磁能转化为热能耗散掉的导电路径。同时，材料内部粗糙的表面和缺陷会导致雷达波在孔隙内来回反射，在每一次反射中损失能量。制造过程中添加的碳还创造了特定的缺陷，有助于材料与电磁波发生相互作用，从而进一步增强了吸收效果。计算机模拟证实，当这种陶瓷覆盖在金属表面时，它能显著降低反射雷达信号的强度，从而有效地使物体更难被探测。
这项工作证明，设计出一种能够满足现代航空航天工程中相互冲突需求的单一材料是可能的。通过使用简单的自发泡沫法并仔细调节碳与锆的比例，研究人员创造出了一种既足够强韧以承受载荷、又足够轻盈以减轻重量，且能有效阻隔热量和雷达波的陶瓷。该研究表明，这种方法可以为研制用于高超音速飞行器的新型集成热防护系统提供途径，从而消除对沉重多层结构的依赖。虽然该材料是在实验室环境下进行的测试，但其结果为开发能够承受太空和高速飞行极端环境的多功能陶瓷指明了一条充满前景的道路。
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