引言：碳纤维增强碳基（Carbon/Carbon，C/C）复合材料具有一系列优异的结构性能，已成为航空航天领域高温热结构材料的候选材料。然而，碳基体的强度低、脆性大，微观尺度碳纤维不能在纳米尺度上有效地强化碳基体；同时，飞行器的快速发展要求C/C复合材料兼具优异力学性能和多功能特性。为了有效解决上述问题并满足发展需求，近年来各种一维（1D）纳米结构作为纳米尺度增强体被引入到复合材料中，实现了C/C力学性能和功能特性（抗氧化、抗烧蚀、导热、电磁屏蔽等）的改善。

近日，西北工业大学李贺军院士团队系统总结了一维纳米结构（碳基/硅基陶瓷/超高温陶瓷/杂化一维纳米材料等）强韧化C/C复合材料研究进展，包括复合材料制备策略、一维纳米结构引入方法、一维纳米结构强韧化C/C复合材料的结构表征、力学与功能特性演变规律等。基于一维纳米材料引入对C/C复合材料微观结构影响规律分析，讨论了其改善C/C力学和功能特性的作用机制，并展望了一维纳米结构强韧化C/C复合材料未来研究的机遇和挑战。相关工作以题为“Recent Progress in One-Dimensional Nanostructures Reinforced Carbon/Carbon Composites”发表在了Adv. Funct. Mater.上，论文含大图27幅，表格4个，参考文献245条，总计22000余字。

图1 “一维纳米结构增强C/C复合材料的设计、制备和性能”研究框架图

图2 3D碳纤维预制体形式

图3 “分步法”和“一步高效法”制备一维纳米结构增强C/C复合材料的典型工艺

图4 一维纳米结构引入C/C复合材料内的物理和化学方法

图5 不同形貌CNTs强韧化C/C复合材料的结构表征和力学性能

图6 直立CNTs强韧化C/C复合材料的结构表征和力学性能

图7 电泳CNTs强韧化C/C复合材料的结构表征和力学性能

图8 CNTs强韧化C/C复合材料的界面设计和力学性能

图9 CNTs强韧化C/C复合材料高效制备新策略

图10 CNTs强韧化陶瓷改性C/C复合材料高效制备新策略和结构性能表征

图11 CNTs强韧化C/C复合材料的功能特性：导热、氧化、烧蚀、电磁等

图12 CNFs强韧化C/C复合材料的结构表征和性能

 图13 SiCNWs强韧化碳布基C/C复合材料的结构表征和力学性能（弯曲）

图14 SiCNWs强韧化碳毡基C/C复合材料的结构表征和力学性能（弯曲）

图15 SiCNWs强韧化碳毡基C/C复合材料的结构表征和力学性能（压缩、剪切）

图16 SiCNWs强韧化C/C复合材料的疲劳性能

图17 SiCNWs强韧化C/C复合材料的功能特性：导热、氧化、电磁等

图18 SiCNWs强韧化陶瓷改性C/C复合材料的结构表征与力学性能

图19 SiCNWs强韧化陶瓷改性C/C复合材料的结构表征与电磁功能特性

图20 Si3N4NWs强韧化C/C复合材料的结构表征与力学性能

图21 HfCNWs强韧化C/C复合材料的结构与性能表征

图22 ZrCNWs强韧化C/C复合材料的结构与性能表征

图23 SiCNWs与Si3N4NBs强韧化C/C复合材料的结构与性能表征

图24 SiCNWs@CNTs强韧化C/C复合材料的结构与性能表征

图25 SiCNWs@PyC强韧化陶瓷改性C/C复合材料的结构与性能表征 

图26 一维纳米结构对C/C复合材料结构和应力分布影响规律

图27 一维纳米结构对C/C复合材料性能（力学、电磁、烧蚀等）的作用机制分析

小结：

随着航空航天技术的快速发展，为了满足日益增长的需求和复杂的服役环境，迫切需要开发高强度、多功能、高性能C/C复合材料。一维纳米材料具有高强度、优异的延展性和大长径比等优点，因此，设计和制备一维纳米结构增强C/C复合材料被认为是实现高力学性能和其他功能特性的有效途径。针对不同的一维纳米结构体系和生长基底，提出了一系列一维纳米结构的引入方法；一维纳米结构的引入可以细化热解碳基体结构，减少C/C内部缺陷，增强纤维/基体界面结合，改善应力分布，实现力学性能的改善；此外，还可以提高C/C抗烧蚀、抗氧化、电磁屏蔽和热物理性能。本综述提出的“一维纳米增强”策略可广泛应用于各种纤维增强复合材料和陶瓷涂层领域。

虽然一维纳米结构的引入可以在一定程度上改善C/C复合材料的性能，但在极端高温应用环境下，进一步提高C/C复合材料的性能仍然存在一些挑战，存在众多问题需要研究学者考虑，例如，“C/C复合材料高氧化敏感性”、“一维纳米材料高温稳定性”、“近服役环境下性能测试和机理研究”、“大尺寸异形结构件制备”等。

文献链接：

Xuemin Yin1, Liyuan Han1, Huimin Liu, Ni Li*, Qiang Song*, Qiangang Fu, Yulei Zhang*, Hejun Li. Recent Progress in One-Dimensional Nanostructures Reinforced Carbon/Carbon Composites. Advanced Functional Materials, 2022, 202204965.（DOI: 10.1002/adfm.202204965）

部分作者简介

殷学民，分别于2014和2021年获西北工业大学学士和博士学位，师从李贺军院士。主要从事陶瓷基/碳基纳米材料的可控制备及其强韧化、功能化复合材料相关领域的研究工作；以第一或通讯作者身份在Adv. Funct. Mater.、Small、Compos. Sci. Technol.、Chem. Eng. J.、ACS Appl. Mater. Inter.、J. Mater. Sci. Technol.、Sci. China Mater.等国内外期刊上发表SCI论文多篇，ESI高被引论文3篇。

韩丽媛，于2016年在中北大学获得学士学位，随后在西北工业大学攻读硕士和博士学位（导师：李克智教授）。主要从事碳基纳米材料制备及其在复合材料强韧化、功能化方面的应用，目前以第一/共一作者身份在Adv. Funct. Mater.、Compos. Sci. Technol.、Carbon、Compos. Part B-Eng.等期刊上发表SCI论文多篇，其中1篇论文入选ESI高被引论文。

宋强研究员，西北工业大学研究员，博士生导师，陕西省杰青，西北工业大学“翱翔青年学者”，主要从事纳米改性C/C热结构复合材料及其多功能化研究，以第一或通讯作者身份先后在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Small、Chem. Eng. J.、Carbon、Compos. Sci. Technol.、J. Mater. Sci. Technol.等发表SCI论文50余篇，ESI高被引论文5篇，授权国家发明专利12件。主持国家自然科学基金3项，作为学术骨干参与千万级国家重大项目多项，获教育部自然科学一等奖1项（2020年，排2）。

张雨雷教授，西北工业大学教授，博士生导师，国家级青年人才入选者，超高温结构复合材料重点实验室副主任，主要从事抗氧化、抗烧蚀碳/碳复合材料研究，以第一或通讯作者身份先后在Adv. Funct. Mater.、Carbon、Corros. Sci.、J. Eur. Ceram. Soc.、J. Mater. Sci. Technol.等期刊上发表SCI论文90余篇，授权发明专利26件。主持国家自然科学基金（重点、重大研究计划、面上等5项）、国家重点研发计划课题、173计划领域重点基金等项目20余项。获国家自然科学二等奖（2016年，排5）、陕西省青年科技奖（2020年）、教育部自然科学一等奖1项（2020年，排3）等国家级和省部级科研奖励5项。