Progreso de la investigación sobre materiales a base de carbono para aplicaciones aeroespaciales
Con el desarrollo de los aviones hacia la ligereza, la alta confiabilidad y la multifuncionalización, los materiales metálicos tradicionales se enfrentan a cuellos de botella en el rendimiento. Los materiales a base de carbono, como la fibra de carbono, los nanotubos de carbono (CNT), el grafeno, los compuestos de carbono/carbono y los aerogeles de carbono, están logrando gradualmente aplicaciones de ingeniería en el campo aeroespacial debido a sus excelentes propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas.
El 15 de octubre de 2025, Composites Part B: Engineering publicó la última investigación titulada 'Progreso de la investigación sobre materiales a base de carbono para aplicaciones aeroespaciales' de la Escuela de Ingeniería de Equipos de la Universidad Shenyang Ligong, la Escuela de Ciencias e Ingeniería Aeronáuticas de la Universidad de Beihang, el Laboratorio Clave de Investigación y Desarrollo de Tecnología de Polvos de Beijing de la Universidad de Beihang, la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Shenyang Ligong, la Facultad de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad de Aeronáutica de Nanjing y Astronáutica, y el Laboratorio Estatal Clave de Mecánica y Control de Estructuras Mecánicas de la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing.
I. Principales materiales a base de carbono
II. Aplicaciones en el sector aeroespacial
Sistemas de protección térmica de alta temperatura
En el ámbito aeroespacial, los sistemas de protección térmica son cruciales para la operación segura de las aeronaves. Durante los vuelos a alta velocidad y el reingreso a la atmósfera, las aeronaves enfrentan temperaturas extremadamente altas y ambientes oxidativos, lo que plantea graves desafíos a la integridad estructural y la estabilidad funcional de los materiales. Con el aumento de las velocidades de vuelo y la duración de las misiones, los sistemas de protección térmica deben mantener un rendimiento estable en condiciones extremas que superen los 1650 °C, especialmente en partes clave como los transbordadores espaciales y los conos de morro de los vehículos hipersónicos. Los materiales deben combinar excelentes propiedades termomecánicas, estabilidad termoquímica, resistencia al choque térmico y características de ligereza y alta resistencia.
1. Papel clave del Hf6Ta2O17 en la resistencia a la ablación de compuestos C/C
Wang et al. estudiaron la microestructura transversal de muestras de HfC-0HTO, HfC-1.25HTO y HfC-2.5HTO y descubrieron que a medida que aumentaba el contenido de HTO, la densidad de la capa de óxido mejoraba y la interfaz con la capa de SiC mantenía una buena integridad (Figura 2a-f).
Después de 120 segundos de ablación, se formó una densa capa de óxido compuesta de HfO₂ y ZrO₂ en la superficie del compuesto, lo que mejoró significativamente la resistencia a la oxidación y la capacidad anticalor (Figura 2i).
Fig. 2. (af) Imágenes de microestructura transversal de muestras de HfC-0HTO, HfC-1.25HTO y HfC-2.5HTO, que muestran la densidad de la capa de óxido y la integridad de la interfaz con la capa de SiC. (g) Fotografía de los composites después de 120 segundos de ablación. (h) Imagen SEM del centro compuesto después de 120 segundos de ablación. (i) Microestructura de la superficie después de la ablación, donde HfO2 y ZrO2 forman una densa capa de óxido.
2. Excelente comportamiento antioxidante del revestimiento de ZrB2-SiC dopado con La2O3
Lin et al. preparó un recubrimiento compuesto de ZrB₂-SiC-La₂O₃ sobre la superficie de compuestos C/C utilizando pulverización de plasma atmosférico. La muestra ZSL10 que contenía 10% en peso de La₂O₃ tuvo el mejor rendimiento.
Después de 10 horas de oxidación en aire a 1500°C, el recubrimiento ZSL10 mostró solo una pérdida de masa del 9,62%, lo que demuestra una excelente resistencia a la oxidación.
Después de 2 horas de oxidación, el recubrimiento formó una estructura tipo sándwich de 'fase de vidrio de borosilicato - (La₀.₁Zr₀.₉)O₁.₉₅₊ₘ - solución sólida de ZrO₂ - recubrimiento ZSL10 original' (Figura 3a).
A medida que el tiempo de oxidación se extendió a 10 horas, la fase de vidrio se fundió y expandió aún más, encapsulando partículas oxidadas y estabilizando la transición de fase del ZrO₂ dopado con La.
Simultáneamente se generó una capa de barrera continua de baja difusión de Zr (La) -OC, que finalmente formó una película protectora densa y sin grietas que redujo significativamente la tasa de permeación de oxígeno.
3. Mecanismo de protección de autorreparación de la capa de vidrio SiO2 en compuestos C/SiC
Zou et al. descubrieron que los compuestos de C/SiC pueden formar naturalmente una capa protectora vítrea continua de SiO₂ a través de la oxidación durante el proceso de ablación.
Cuando la temperatura es inferior a 1500 °C, el SiO₂ líquido generado tiene buena fluidez y puede llenar automáticamente las microgrietas de la superficie, logrando una función de 'autoreparación' (Figura 3c).
Esta característica aísla eficazmente el oxígeno externo del contacto con la matriz, inhibiendo significativamente el desarrollo posterior de reacciones de oxidación, proporcionando una garantía para la aplicación de fibras de carbono en ambientes de alta temperatura.
Fig. 3. (ab) Recubrimiento ZSL10 después de (a) 2 h y (b) 10 h de oxidación, que muestra la formación de los compuestos de fase estable a alta temperatura (La,Zr)O₂ y Zr(La)-OC. (c) Ilustración del proceso de ablación y su mecanismo de protección. ( d ) Curvas de temperatura superficial durante la ablación para compuestos C / C-SiC-ZrC-Cu con contenido variable de Cu. (e) Esquema de la evolución de la ablación para el compuesto C/C-SiC-ZrC-Cu.
4. Preparación de nuevos compuestos C/C y su excelente rendimiento de aislamiento térmico
Li y col. preparó con éxito un compuesto C/C con una estructura similar a un aerogel utilizando tecnología de polimerización asistida por alta presión y secado a presión ambiental (APD), incorporando refuerzo de fibra de baja cristalinidad.
Este método evita pasos complejos de intercambio de disolventes orgánicos, simplifica el flujo del proceso, acorta el ciclo de preparación y permite una producción a gran escala sin grietas.
Después de calentarlo con una llama de acetileno a 1800 °C durante 900 segundos, la temperatura de la parte posterior del material fue de solo 685 a 778 °C (Figura 4a), lo que demuestra un excelente rendimiento de aislamiento térmico.
La optimización del diseño microestructural logró una reducción significativa de la conductividad térmica manteniendo excelentes propiedades mecánicas, superando los problemas de alta conductividad térmica y resistencia insuficiente de los materiales C/C tradicionales a altas temperaturas.
5. Preparación eficiente y de bajo costo y ventajas de rendimiento del aerogel de carbono reforzado con fibra de carbono (CF/CA)
Zhang et al. impregnó un fieltro de fibra de poliacrilonitrilo (PAN) con un gel de resorcinol-furfural (RF) que contenía ZnCl₂ y obtuvo un aerogel de carbono reforzado con fibra de carbono (CF / CA) mediante tratamientos de envejecimiento y pirólisis (Figura 4b).
Este proceso elimina los pasos de intercambio de solventes y secado supercrítico en el método tradicional sol-gel, lo que permite la preparación de materiales aislantes de alta temperatura eficientes y de bajo costo.
Bajo una atmósfera de argón a 1800°C, CF/CA mantuvo una baja conductividad térmica de 0,6904 W/m·K (Figura 4c) y una alta resistencia a la compresión de 6,10 MPa (Figura 4d), combinando un excelente aislamiento a alta temperatura con estabilidad mecánica.
Fig. 4. (a) Cambios de temperatura en las superficies frontal (Tf) y posterior (Tb) de compuestos C/C calentados por una llama de oxiacetileno a 1800 °C. (b) Diagrama de flujo de preparación de aerogel de carbono reforzado con fibra de carbono (CF/CA). (c) Curva tensión-deformación compresiva de CF/CA. (d) Conductividad térmica de CF/CA en una atmósfera de argón a diferentes temperaturas.
6. Preparación asistida por quitosano de aerogel de carbono monolítico de alto rendimiento
Hombres y col. preparó con éxito aerogeles de carbono de densidad ultrabaja, de tamaño nanométrico y morfológicamente intactos optimizando la reacción de polimerización y la red de enlaces de hidrógeno entre el quitosano y el precursor para construir un esqueleto de gel reforzado.
El proceso de preparación mediante secado a presión ambiente se muestra en la Figura 5a. En condiciones ácidas, el resorcinol y el formaldehído generan derivados de hidroximetilo. El quitosano se protona bajo catálisis ácida y se reticula con formaldehído para formar una estructura de red tridimensional, que actúa como una plantilla suave para guiar la reacción sol-gel y conecta oligómeros de RF a través de enlaces de hidrógeno, mejorando la resistencia de la estructura del gel.
El hidrogel de RF se carbonizó después de secarlo a 80-100 °C bajo presión ambiente para obtener aerogeles de carbono monolíticos de gran tamaño. Sin quitosano, el gel es propenso a agrietarse durante el secado. La adición de quitosano inhibe eficazmente la contracción y el agrietamiento, lo que da como resultado aerogeles de RF sin defectos (Figura 5b).
Fig. 5. Proceso para preparar aerogel de carbono monolítico nanoporoso mediante secado a presión ambiente: (a) esquema del proceso de preparación; (b) esquema del proceso de secado.
Protección antioxígeno atómico
1. Amenaza del entorno de oxígeno atómico para las naves espaciales LEO y potencial protector de los materiales a base de carbono
En el entorno de la Órbita Terrestre Baja (LEO), el oxígeno atómico (AO) es uno de los factores ambientales espaciales más destructivos, generado por la fotodisociación del oxígeno molecular provocada por la radiación ultravioleta solar.
El AO es altamente oxidante y reacciona con los materiales de la superficie de las naves espaciales, provocando una grave erosión y degradación del rendimiento.
Los materiales a base de carbono (como el grafeno) exhiben una excelente resistencia a la erosión AO debido a su estructura única de una sola capa, lo que los hace particularmente adecuados para aplicaciones en entornos LEO.
2. Efecto del grafeno como nanorelleno contra la erosión del oxígeno atómico
La incorporación de grafeno como nanorelleno en una matriz polimérica puede mejorar significativamente la resistencia a la AO del material compuesto.
Zhang et al. descubrieron que agregar 0,5% en peso de grafeno a la resina epoxi reducía la pérdida de masa y el rendimiento de erosión en un 46% y 47%, respectivamente.
Yi et al. demostró que bajo el mismo flujo de AO (4,7 × 10²⁰ átomos · cm⁻²), solo 1% en peso de grafeno de pocas capas (FLG) de gran tamaño podría reducir la pérdida de masa de PVA en un 42%, superando el FLG de tamaño pequeño (~33%) y el óxido de grafeno GO (~28%).
La mejora se atribuye al efecto de barrera física y al efecto de enlace químico de FLG y GO, que previenen eficazmente la penetración del AO en el sustrato.
( ab ) Pérdida de masa y rendimiento de erosión de nanocompuestos de epoxi / grafeno. (c) Morfología de escamas FLG grandes, (d) escamas FLG pequeñas y (e) escamas GO después de la exposición al oxígeno atómico (AO). (f) Esquema de formación de enlaces y efecto barrera. (g) Esquema de la permeación de AO a través de grandes escamas de grafeno. (h) Esquema de la penetración del AO a través de pequeñas escamas de grafeno. (i) Esquema de la penetración de AO a través de escamas de óxido de grafeno. Pérdida de masa relativa al PI para películas compuestas con diferentes contenidos de relleno bajo una fluencia total de AO de 10 × 10²⁰ átomos/cm²: (j) EG y (k) EG/nanopartículas. Esquema de los mecanismos por los cuales (l) EG y (m) EG/nanopartículas mejoran la resistencia a la erosión AO del PI. (n) Efectos de barrera y vinculación entre GE y AO. (o) Resistencia a la flexión en tres puntos de compuestos C/C y SiC-C/C después de diferentes tiempos de irradiación AO. (p) Tasa de cambio de masa de compuestos C/C y SiC-C/C después de diferentes tiempos de irradiación de AO.
3. Ejemplo de aplicación del recubrimiento de grafeno en la protección del oxígeno atómico
Depositar un recubrimiento de SiC sobre la superficie de compuestos C/C utilizando tecnología CVD puede mejorar significativamente su resistencia a la erosión AO. La tasa de retención de fuerza aumentó un 20,3% y la tasa de pérdida de masa disminuyó un 60%.
La superficie C/C desprotegida se oxidó directamente a CO/CO₂ tras el impacto del AO de alta velocidad, formando picaduras de corrosión en forma de panal. Por el contrario, la superficie de SiC-C/C generó una densa capa protectora de SiO₂/SiCₓOᵧ in situ, acompañada por la precipitación de una fase de grafito y expansión de volumen, lo que ayudó a cerrar grietas y evitar una mayor erosión por AO de la matriz interna de carbono.
(ab) Esquema de los mecanismos de daño inducidos por oxígeno atómico (AO) en compuestos C/C y SiC-C/C. (c) Diagrama del experimento de exposición al oxígeno atómico . (d) Instalación de simulación terrestre de los efectos del oxígeno atómico. (e) Esquema que ilustra el mecanismo del recubrimiento de grafeno que protege a Kapton de la erosión por AO.
4. Ventajas de integridad estructural y transparencia óptica de los recubrimientos compuestos de grafeno
Cui et al. desarrolló un recubrimiento compuesto de polisiloxano modificado con grafeno y 60% en volumen de SiO₂ (G-PSS), recubierto uniformemente sobre la superficie de Kapton utilizando un método sol-gel combinado con múltiples procesos de recubrimiento por inmersión.
Bajo una fluencia total simulada de LEO AO de 1,86 × 10²⁰ átomos/cm², la tasa de erosión del recubrimiento G-PSS osciló entre 9,77 × 10⁻²⁷ y 1,25 × 10⁻²⁶ cm³/átomo, tres órdenes de magnitud menor que la de Kapton desnudo y un orden de magnitud superior al recubrimiento de PSS sin grafeno.
Después de la exposición al AO, la superficie desnuda de Kapton mostró una estructura rugosa y porosa típica 'similar a una alfombra', mientras que la superficie del recubrimiento G-PSS permaneció casi sin cambios, sin poros ni microfisuras, lo que demuestra que el grafeno compensó eficazmente los defectos en el recubrimiento PSS.
El recubrimiento G-PSS mantuvo más del 90% de transmitancia de luz visible antes y después del tratamiento AO, combinando una excelente resistencia a la corrosión con una alta transparencia óptica, cumpliendo con los requisitos de rendimiento óptico para las superficies de las naves espaciales.
(a) Imagen SEM de Kapton antes de la erosión AO. (ce) Imágenes SEM de Kapton después de la erosión AO. (b) Imagen SEM de Kapton recubierto con grafeno (carga: 26,0 μg/cm²) antes de la erosión AO. (df) Imágenes SEM del mismo Kapton recubierto después de la erosión AO (fluencia AO: 7,09 × 10²⁰ átomos/cm²). (gj) Imágenes de la superficie después de la exposición a AO: (g) Kapton, (h) grafeno, (i) revestimiento híbrido PSS, (j) revestimiento compuesto G-PSS. (k) Comparación de transparencia de Kapton y el recubrimiento compuesto G-PSS antes y después de la exposición a una fluencia de AO de 1,86 × 10²⁰ átomos/cm².
Blindaje electromagnético y materiales absorbentes de ondas
1. Optimización estructural y mejora del rendimiento de materiales a base de carbono en la absorción por microondas
Seleccionando racionalmente los componentes del relleno y optimizando la estructura del material, se puede mejorar significativamente la capacidad de absorción de microondas de los materiales.
Los resultados de investigaciones relevantes sientan una base teórica para el desarrollo de la compatibilidad electromagnética y la tecnología sigilosa en equipos aeroespaciales y militares, y proporcionan vías técnicas efectivas para la aplicación en ingeniería de materiales de absorción de microondas.
La siguiente figura muestra esquemas de preparación para varios materiales avanzados de absorción de microondas. Estos incluyen material poroso FGS/PS (moldeo por compresión + método de sales fundidas), estructura multicapa MSS (resina epoxi, 1% en peso de MWCNT, 4% en peso de MWCNT), nanocompuesto en capas de tres capas y su rendimiento de absorción, construcción de material Ni/MnO-CA y su mecanismo de absorción de ondas electromagnéticas, y la estructura de blindaje electromagnético de LCF/PC-SiC.
(a) Esquema de la fabricación de material poroso FGS/PS mediante moldeo por compresión y lixiviación de sal. (b) Estructura multicapa de MSS: resina-epoxi, 1% en peso de MWCNT y 4% en peso de MWCNT. (c) Secuencia de capas del nanocompuesto de tres capas. (d) Rendimiento de absorción de microondas del nanocompuesto de tres capas. (e) Esquema del proceso de preparación de Ni / MnO-CA. (f) Esquema del mecanismo de absorción de ondas electromagnéticas de Ni / MnO-CA. ( g ) Esquema del mecanismo de protección de ondas electromagnéticas de LCF / PC-SiC.
2. Análisis de las características de la aplicación
Reducción de peso y ahorro de energía: los compuestos de fibra de carbono pueden reducir el peso entre un 20 % y un 40 % en comparación con las aleaciones de aluminio, lo que mejora significativamente la eficiencia del combustible y se utilizan ampliamente en grandes aviones de pasajeros.
Resistencia a ambientes extremos: Los compuestos de carbono/carbono pueden funcionar durante largos períodos en ambientes de alta temperatura y libres de oxígeno, adecuados para zonas de alta temperatura durante el reingreso a la atmósfera.
Integración multifuncional: el grafeno y los CNT dotan a los materiales de funciones como conductividad eléctrica, conductividad térmica y detección, lo que respalda el desarrollo de estructuras inteligentes.
Aislamiento térmico eficiente: el aerogel de carbono es uno de los materiales sólidos con menor conductividad térmica conocida, adecuado para el diseño de aislamiento pasivo en misiones de exploración del espacio profundo.
Desafíos actuales
Aunque los materiales a base de carbono muestran un gran potencial en el sector aeroespacial, todavía existen los siguientes problemas:
Mala resistencia a la oxidación: los materiales de carbono se oxidan fácilmente en ambientes de alta temperatura que contienen oxígeno y requieren el uso de recubrimientos como SiC.
Alto costo de fabricación: El costo de producción de fibras de carbono de alto rendimiento y compuestos estructurales complejos es alto, lo que limita su aplicación a gran escala.
Dificultad para controlar la consistencia del proceso: los materiales de nanocarbono tienen poca dispersabilidad y son propensos a aglomerarse durante el proceso de composición, lo que afecta la estabilidad del rendimiento.
Direcciones de desarrollo futuro
Promover el diseño estructural a múltiples escalas para lograr la optimización sinérgica de las propiedades mecánicas y funcionales.
Establecer modelos de relación estructura-propiedad del material para guiar el diseño racional de nuevos materiales de carbono.
Desarrollar tecnologías de conformado automatizadas y de bajo costo para mejorar la capacidad de fabricación.
Explore procesos de preparación ecológicos para reducir el consumo de energía y el impacto ambiental.
En resumen, los materiales a base de carbono se han convertido en materiales centrales que impulsan el desarrollo de vehículos aeroespaciales de alto rendimiento debido a sus excelentes propiedades como ligereza, alta resistencia, resistencia a entornos extremos e integración multifuncional. Sin embargo, su susceptibilidad a la oxidación en ambientes de alta temperatura que contienen oxígeno sigue siendo un desafío clave que debe superarse. Centrándose en este punto débil de la industria, Yinsu Flame Retardant Company, especializada en la investigación, el desarrollo y la producción de retardantes de llama, aprovechará activamente esta tendencia en el futuro. Estamos comprometidos a desarrollar nuevos retardantes de llama altamente eficientes y compatibles con materiales a base de carbono. A través de la innovación tecnológica continua y la colaboración entre la industria, la academia y la investigación, nuestro objetivo es proporcionar soluciones retardantes de llama avanzadas para abordar las debilidades inherentes de los materiales a base de carbono, contribuir con la fuerza central a la transformación y mejora de toda la industria de los retardantes de llama hacia un alto rendimiento y multifuncionalidad, y ayudar a impulsar la industria aeroespacial a nuevas alturas.
