（通讯员 朱秉钧）近日，北京航空航天大学航空科学与工程学院朱秉钧副教授、赵瑾副教授与德国慕尼黑工业大学热力学所院长文东升教授合作在树脂基热防护材料研究中取得重要进展。相关成果以“Dynamic Formation and Protective Role of 0D Carbon Dots During High-Temperature Catalytic Graphitization”为题发表于《Advanced Materials》（Adv. Mater. 2026, Early View, e75000）。该研究首次在烧蚀后的镍掺杂酚醛树脂中观察到残余碳量子点纳米结构，为氧乙炔烧蚀过程中0D碳点的动态演化提供了实验证据，并结合反应分子动力学模拟（RMD）提出了一种基于催化石墨化与0D碳点动态演化的纳米尺度热防护机制。
树脂基复合材料因低成本与优异的热力学性能成为当下重要的热防护材料之一。早期研究曾提出树脂基材料能通过催化石墨化提升其热防护性能，并且其机制常被归因于石墨化程度的提高，但核心矛盾在于：热防护性能显著提升，但烧蚀后石墨化区域覆盖度却极其有限。这一结构/性能矛盾暗示，传统认知中的物理“屏障效应”并非主因，尚存未被揭示的微纳尺度热防护机制。针对该问题，本研究基于镍掺杂酚醛树脂材料开展氧乙炔烧蚀测试与材料微观表征。电镜观察显示烧蚀后镍颗粒周围仅形成局域石墨化碳壳结构，但同时观察到大量均匀分布和尺寸仅数纳米的碳量子点（未掺杂样品则观察不到）。这是首次在烧蚀后树脂基体中观察到碳量子点，表明镍掺杂对0D碳点结构的形成起到关键作用。此外，铁和钴掺杂酚醛树脂烧蚀后同样观察到碳量子点，表明该0D碳点动态形成机制对多种过渡金属催化体系具有普适性。
为阐明碳量子点的形成机制，本研究采用RMD构建了原子氧与缺陷石墨化表面的气固界面反应模型。模拟揭示，在接近3000K的超高温烧蚀条件下，镍颗粒周围催化形成的石墨化碳层持续受到原子氧撞击，发生氧化解体，石墨烯片层破碎生成石墨烯量子点，并进一步分解为CO和CO₂等小分子气体。该过程与镍颗粒的持续催化石墨化形成一种动态、吸热的热防护过程，解释了烧蚀后石墨化区域覆盖有限却热防护性能仍显著提升的原因。烧蚀终止后的快速冷却阶段，未完全消耗的单层石墨烯量子点通过层间堆叠转变为多层的碳量子点，成为高温烧蚀过程中0D碳点演化的证据之一。
该工作提出了基于催化石墨化及0D碳点动态演化的纳米尺度热防护机制，为树脂基热防护材料的性能提升提供了新思路，也为高温碳纳米结构演化及碳点形成机制研究提供了参考。该论文的第一、二作者为我院博士研究生贾子扬和张金月，共同通讯作者为我院朱秉钧副教授、赵瑾副教授、慕尼黑工业大学文东升教授。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.75000
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