碳化硅是一種典型的非氧化物高技術(shù)陶瓷，具有優(yōu)越的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、太陽(yáng)能電池、光纖通訊、航空航天等領(lǐng)域。碳化硅陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)高端碳化硅粉體原料與產(chǎn)品的研發(fā)與規(guī)模生產(chǎn)。隨著全球科技的不斷發(fā)展，對(duì)于高溫?zé)岱雷o(hù)材料的需求也在不斷提高。在這種背景下，碳化硅氣凝膠作為一種具有高熔點(diǎn)、超輕密度、極低熱導(dǎo)率和卓越的熱機(jī)械性能的新型材料，受到了全球科研人員的關(guān)注。
碳化硅氣凝膠是一種主要由碳化硅(SiC)組成的獨(dú)特材料，其結(jié)構(gòu)具有高度的孔隙率和連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得碳化硅氣凝膠在高溫下表現(xiàn)出卓越的熱防護(hù)性能，如耐高溫、抗腐蝕、抗氧化等。同時(shí)，由于其高熔點(diǎn)和超輕密度，碳化硅氣凝膠在航空航天、能源、化工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
目前，已報(bào)道的碳化硅氣凝膠合成技術(shù)包括溶膠凝膠法、碳熱還原法、脈沖激光沉積法、化學(xué)氣相沉積法、冷凍成型法、3D打印技術(shù)等?；谶@些技術(shù)，研究人員能夠制備出具有多尺度可調(diào)控微結(jié)構(gòu)、卓越循環(huán)壓縮特性、高拉伸性以及低損傷敏感性等優(yōu)異性能的碳化硅氣凝膠。但這些方法普遍存在工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)和制造成本高等問(wèn)題。與成熟的超臨界干燥工藝氧化硅氣凝膠相比，碳化硅氣凝膠目前在性?xún)r(jià)比方面缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，制約了其發(fā)展與應(yīng)用。如何快速、低成本、低能耗制備大尺寸碳化硅氣凝膠，是領(lǐng)域內(nèi)面臨的瓶頸問(wèn)題。
基于上述背景，清華大學(xué)材料學(xué)院董巖皓助理教授與中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所李江濤研究員提出了一種全新的碳化硅氣凝膠自蔓延制備方法，利用原料硅粉與聚四氟乙烯反應(yīng)劑之間快速的自蔓延燃燒合成反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了升量級(jí)碳化硅氣凝膠的閃速合成。該研究在實(shí)驗(yàn)室條件下展示了在數(shù)秒內(nèi)制備大尺寸碳化硅氣凝膠的可行性，生產(chǎn)速率約為16升/分鐘，大幅縮短了陶瓷氣凝膠的制備周期。此外，該工藝具有合成過(guò)程近零能耗的突出特征，非常適合碳化硅氣凝膠的大批量、低碳、低成本制備。對(duì)比測(cè)算表明，相較于現(xiàn)有的碳化硅氣凝膠合成技術(shù)，自蔓延制備新方法的生產(chǎn)速度提升了10倍，估算成本約為5元/升，制造成本大幅降低。此項(xiàng)研究在合成技術(shù)上的突破，有望為碳化硅氣凝膠的規(guī)模化生產(chǎn)和廣泛工程應(yīng)用開(kāi)辟一條不同于現(xiàn)有超臨界干燥工藝的新途徑。
圖1.自蔓延合成碳化硅氣凝膠產(chǎn)品實(shí)物圖與工藝分析
自蔓延高溫合成的碳化硅氣凝膠具有優(yōu)異的熱力性能。大批量合成的碳化硅氣凝膠樣品具有99.6%的超高孔隙率，密度僅為12 mg cm?3，室溫?zé)釋?dǎo)率可以降至0.027 W m?1K?1。由于其獨(dú)特的層狀納米線(xiàn)堆疊結(jié)構(gòu)，碳化硅氣凝膠在零下200攝氏度到1100攝氏度的寬溫區(qū)范圍內(nèi)均表現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和壓縮回彈性。樣品在40%壓縮應(yīng)變條件下能夠承受數(shù)百次循環(huán)載荷而不發(fā)生明顯損壞，具有良好的抗損傷性能。在熱穩(wěn)定性方面，碳化硅氣凝膠在氧化氣氛中的長(zhǎng)期服役溫度上限預(yù)估為1000攝氏度，惰性氣氛下可達(dá)1700攝氏度，在極端條件熱防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖2.自蔓延合成碳化硅氣凝膠的力學(xué)性能
圖3.自蔓延合成碳化硅氣凝膠的隔熱性能
8月13日，相關(guān)研究成果以“升量級(jí)碳化硅氣凝膠的快速低成本制備技術(shù)”(Rapid and inexpensive synthesis of liter-scale SiC aerogels)為題，發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)上。
中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所2020級(jí)博士生韓魯佳和清華大學(xué)材料學(xué)院博士后陳仕樂(lè)為論文共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員李江濤和清華大學(xué)材料學(xué)院助理教授董巖皓為論文通訊作者。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51278-w
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