用“纳米笼”颠覆航空发动机级高温结构材料格局
韩国研究团队通过实验证明，塑料复合材料即使在1000℃火焰和航空发动机级高温环境下也能保持结构稳定性。这得益于一种将高分子链锁定在三维“纳米监狱”中的结构设计。
一直以来，由于轻质但耐热性不足，高分子复合材料被排除在高温结构部件之外。本次研究则提出了其在航空发动机、燃气轮机等极端环境材料市场中替代金属的可能性。
韩国研究财团表示，由 Oh Youngseok 韩国材料研究院博士研究团队设计并制备的三维碳纳米管（CNT）基“纳米笼（Nanocage）”结构，被成功构筑于高分子复合材料内部，从而在高温下有效抑制分子运动。研究团队提出了一种新方法，不是通过改变化学组成，而是利用纳米尺度的物理约束结构来调控高分子链的热行为。
高分子复合材料的热学极限与基于碳纳米管纳米笼的物理约束概念。高分子在高于玻璃化转变温度（Tg）时，由于链段的自由热运动会发生结构变形（左）。本研究通过三维碳纳米管纳米笼结构对高分子链进行物理约束，即使在高温下也实现了热稳定性（右）。下方为超轻碳纳米管气凝胶基纳米笼试样。研究团队提供
View original image在高温面前崩溃的复合材料极限
高分子复合材料重量轻、加工性优异，一直被视为航空航天和能源领域的下一代结构材料。但其存在一个局限：一旦超过玻璃化转变温度（Tg），分子链的运动性会急剧增强，从而丧失机械性能和尺寸稳定性。
因此，在航空发动机或燃气轮机这类高温与载荷同时作用的部位，钛合金等金属材料仍然占据主导地位。
为克服这一局限，研究界持续推进高耐热高分子开发、提高交联密度、引入石墨烯、二氧化硅、碳纳米管等纳米填料，但在将玻璃化转变温度提高到一定水平以上，或在高于 Tg 的区域从根本上抑制高分子链自由运动方面仍存在限制。
尤其是由于填料分散不均匀，纳米约束效应难以真正转化为结构稳定性，这一问题屡遭指出。
锁进“纳米监狱”的分子链，在高温下也难以运动
研究团队将问题的核心界定为“在高于 Tg 区域自由运动的高分子链”，并选择通过结构设计来切断这种自由运动。具体做法是：先将单壁碳纳米管实现单根分散，再编织成三维网状的纳米笼结构，然后让高分子树脂渗入纳米笼内部。
当将纳米笼的孔径控制得小于高分子链协同重排区域的尺度时，实验表明链段的热运动被极大程度抑制。
结果显示，纳米笼基高分子复合材料的玻璃化转变温度相比传统环氧树脂提升约119%，最高可达350℃，已接近高分子本身的热分解温度。该复合材料在300℃以上的高温下仍能稳定保持弹性模量，其热膨胀系数降低至约10ppm/℃，表现出优异的尺寸稳定性。
在高温蠕变试验中，即使在200~300℃环境下，其应变也保持在1%以下；在约1000℃火焰暴露试验中，热释放率降低约98%，同时实现了耐火与阻燃性能的提升。
研究团队还将这种纳米笼基复合材料与碳纤维织物结合，扩展为微米—纳米多尺度杂化复合材料。结果表明，即便在370℃环境下，该材料仍能保持初始弹性模量的90%以上，其高温结构稳定性优于在同等条件下性能出现下降的商用钛合金。这一成果颠覆了“轻量化与耐热性难以兼得”的传统认知。
本次研究大幅拓展了高分子复合材料的使用温度区间，为其作为下一代航空发动机和燃气轮机部件材料的应用可能性提供了依据。
尤其是由于其相较金属具有显著更轻的特性，有望通过发动机减重提升燃料效率和整体性能。不仅可用于超音速飞行器结构、高温热冲击环境下的航天结构件，还在电动车电池包等需要延缓火势蔓延的安全材料方面具有较大应用潜力。
Oh Youngseok 博士表示：“我们计划与聚酰亚胺等高耐热树脂进行复合，将玻璃化转变温度提升至约500℃，并在与碳纤维结合的真实部件环境中验证其长期可靠性和工艺稳定性。同时，将确保适用于大型部件制造的工艺扩展性和经济性，推动其迈向实用化阶段。”
本研究在科学技术信息通信部和韩国研究财团纳米材料技术开发项目的支持下开展，其成果已于上月10日在线发表于复合材料领域国际学术期刊《Advanced Composites and Hybrid Materials》（《先进复合材料与杂化材料》）。
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