国防科技大学：极端环境传感的“可用之材”

  1. 突破超高温极限，兼具长期热稳定性：研发的TiC-SiC纤维膜在惰性气氛下可耐受高达2000 °C的极端高温，并在1800 °C持续保持5小时仍稳定可靠，显著突破现有超细陶瓷纤维膜的耐温上限，且高温处理后仍保持良好柔韧性。

2. 强韧协同提升，显著增强抗烧蚀能力：纤维膜拉伸强度达到2.1 MPa，在承受约1400倍自重的载荷下，同时在1300 °C丁烷火焰直接灼烧下仍能保持结构完整至少1小时以上。且即使经历氧化处理后，依然保持较高强度，突破了传统陶瓷材料“脆而易断”的局限。

3. 极端环境下实现稳定传感，拓展应用边界：纤维膜在900 °C内电阻率稳定，丁烷火焰环境下仍保持传感稳定性，1800 °C高温处理5 h后，压力传感性能可稳定循环300次，填补极端环境柔性纤维传感器的研究空白。

研究背景

航空、航天等领域对极端环境传感器的需求日益迫切，这类传感器需承受超高温、动态形变、氧化等复杂工况。然而，传统传感器存在脆性大、难以适应频繁形变的问题；聚合物基柔性传感器在高温下易失效；MXene基和碳材料传感器虽具备柔性和灵敏度优势，却无法在含氧高温环境中长期服役。超细陶瓷纤维因优异的热稳定性和抗氧化性，被认为是极端环境传感的理想材料，但现有陶瓷纤维压力传感器的耐温性能有限(≤800 °C)，且机械性能较差，难以满足应用需求。因此，研发兼具超高耐温性、良好柔韧性和优异机械性能的陶瓷纤维压力传感器，成为当前该领域亟待解决的关键难题。

内容简介

针对极端环境传感器“强度-柔性-耐温”三者相互制约的瓶颈难题，国防科技大学苟燕子团队创新地提出了“先驱体分子设计-原位相生成-多尺度结构调控”制备策略，成功研发出高强TiC-SiC柔性纤维膜。具体而言，从分子结构源头出发，在先驱体分子中引入异质元素Ti，通过高温原位反应生成的TiC作为第二晶相随机分布在SiC纤维中，既能诱导裂纹偏转、阻碍裂纹扩展，又能抑制SiC晶粒在超高温下的异常生长，使纤维膜兼具高强度和高柔韧性。通过精准的多尺度工艺控制，将纤维中残余氧含量降至极低水平，从根本上消除高温下的氧化反应，大幅延长材料在极端环境下的服役寿命，实现了“耐超高温、强韧柔性、高温传感”的三位一体，为极端环境压力传感材料提供了切实可行的解决方案。

图文导读

I 精准制备：构筑TiC-SiC柔性纤维膜的“核心架构”

如图1所示，TiC-SiC纤维膜的制备过程主要分为四个关键步骤：首先通过“一锅法”合成不同Ti含量的聚钛碳硅烷(PTCS)先驱体；随后将PTCS与PVP溶解于三氯甲烷，配制纺丝液并通过静电纺丝制备PTCS纤维膜；经空气固化和1300 °C热解，得到Si-Ti-C-O纤维膜；最后在1800 °C氩气气氛下烧结形成结晶态TiC-SiC纤维膜。TiC原位生成并均匀分布在SiC纤维中，纤维膜氧含量降至0.39 wt%以下，结晶度显著提升。该纤维膜密度低(~15 mg/cm³)、柔韧性优异，经360°扭转、折叠成陶瓷飞机后仍能恢复原状，其柔性源于单根纤维的可变形性和纤维间形成的三维缠结网络。

图1. TiC-SiC纤维膜的制备过程及性能表征。

II 强韧兼备：破解陶瓷纤维膜材料“脆而易断”的难题

TiC-SiC纤维膜的机械性能表现突出，质量仅8.8 mg、尺寸3 cm×1.5 cm的纤维膜，可承受50 g重物(约自身重量5600倍)，最大拉伸强度高达2.1 MPa。其强韧机制源于多尺度结构设计(图2)：在纳米尺度，TiC纳米颗粒通过“钉扎效应”偏转裂纹、阻碍微裂纹扩展，且TiC与SiC形成牢固界面，提升单根纤维强度；在微观尺度，纤维表面粗糙度增加，增强纤维间摩擦力，抵消外部拉力；在宏观尺度，纤维紧密缠结形成网络结构，为整体提供良好的受力传递。有限元模拟和分子动力学模拟进一步证实，TiC可有效延缓纤维断裂，显著提升SiC陶瓷材料的机械性能。

图2. TiC-SiC纤维膜的力学性能。

III 极端耐温：突破高温环境的“性能极限”

高温稳定性是极端环境传感器的核心要求，TiC-SiC纤维膜在1800~2000 °C氩气气氛下处理后，纤维表面和截面形态无明显变化，1900 °C处理1小时后重量损失仅1.8%，拉伸强度仍保持1.1 MPa，且所有高温处理后的纤维膜均保持良好柔韧性(图3)。其耐高温机制主要源于两方面：一是制备过程中提前调控SiCxOy相分解，将氧含量降至极低水平，避免高温下纤维结构坍塌；二是TiC作为熔点高达3000 °C的超高温相，有效抑制SiC晶粒在长期高温下的异常生长，稳定SiC基体结构。与现有文献报道的陶瓷纤维膜相比，该TiC-SiC纤维膜的工作温度和机械强度均处于领先水平。

图3. TiC-SiC纤维膜的高温稳定性。

IV 极端条件耦合：应对复杂环境的“综合能力”

为验证纤维膜在实际极端环境中的适用性，团队测试了其在氧化、高温灼烧、热绝缘等综合工况下的性能。1200 °C空气气氛氧化1小时后，纤维膜中出现SiO₂和TiO₂相，但β-SiC仍为主要成分，拉伸强度仍达1.8 MPa，纤维间因氧化层形成连接，进一步维持整体强度。该纤维膜还具备优异的热绝缘性能，1400 °C时热导率仅为0.42 W·m⁻¹·K⁻¹，丁烷火焰(~1300 °C)灼烧600秒后，冷端温度低于63 °C。更值得注意的是，纤维膜在丁烷火焰灼烧下，可承受自身重量1428倍的载荷持续60分钟而不断裂，展现出优异的高温-机械耦合性能(图4)。

图4. TiC-SiC纤维膜在极端综合条件下的性能。

V 高温传感：实现极端环境的“精准监测”

基于良好的柔性和机械性能，TiC-SiC纤维膜展现出优异的压力传感性能(图5)。在10%~90%应变范围内，纤维膜呈现稳定的电阻响应信号，不同压力区间的灵敏度分别达到7.23、0.85、0.11和0.05 kPa⁻¹，0.11 kPa压力下响应时间仅523 ms、恢复时间440 ms，600次循环后仍保持稳定传感性能。更关键的是，该纤维膜在1800 °C高温处理5小时后，仍能维持稳定的压力传感循环性能；丁烷火焰灼烧60秒后，压缩传感性能无明显衰减。团队组装的高温传感器，在丁烷火焰持续灼烧下，电阻信号随压力变化稳定，释放压力后可恢复至初始值，证实其在极端高温环境下的实用传感潜力。与现有文献报道的纤维膜传感器相比，该TiC-SiC纤维膜无需任何基底封装，可为高温传感的模式转变提供参考。

图5. TiC-SiC纤维膜的压力传感性能。

VI 总结

本研究通过分子结构设计和多步精准制备，成功研发出TiC-SiC柔性纤维膜，实现了“超高耐高温、强韧柔性、高温传感”的协同突破。该纤维膜以TiC为增强相，不仅将拉伸强度提升至2.1 MPa，还实现了2000 °C的耐高温性能和1800 °C下5小时的长期热稳定性，可承受自身重量1400倍的载荷，在1300 °C丁烷火焰下保持完整至少1小时。其稳定的电阻率(900 °C以下)和高温传感性能，使其无需封装即可应用于极端环境，解决了传统传感器难以适应高温、高形变工况的难题。这项研究为极端环境压力传感提供了一种高效可行的材料解决方案，同时也为柔性陶瓷纤维材料的多尺度设计和结构功能一体化提供了新的思路。

来源：纳微快报