碳化硅(SiC)是一種典型的非氧化物高技術陶瓷，SiC陶瓷產業的發展依賴于高端SiC粉體原料與產品的研發與快速、低成本生產。SiC氣凝膠是SiC高端產品的另一種典型代表。目前，已報道的如碳熱還原法、化學氣相沉積法、3D打印技術等能夠制備出具有循環壓縮性、高拉伸性等優異性能的SiC納米線氣凝膠。但這些方法普遍存在工藝復雜、生產周期長和制造成本高等問題，與成熟的超臨界干燥工藝制備的SiO2氣凝膠相比缺乏競爭力。如何快速、低成本、低能耗制備大尺寸SiC氣凝膠，是領域內面臨的瓶頸問題。
 

　　基于上述背景，中國科學院理化技術研究所李江濤研究員團隊與清華大學董巖皓教授課題組開展合作：利用硅粉-聚四氟乙烯反應劑之間的快速燃燒合成反應，實現了大尺寸SiC氣凝膠的閃速合成。該研究在實驗室條件下已經展示了在數秒內即可獲得大尺寸SiC氣凝膠的可行性(生產速率高達16 升/分鐘，使得氣凝膠的制備周期大幅度縮短)。此外，該工藝具有合成過程近零能耗的突出特征，非常適合大尺寸SiC氣凝膠的低碳、低成本制備。對比測算表明，相較于現有氣凝膠合成技術，生產速度提升了10倍，制造成本降低了兩個數量級(該方法制備的SiC氣凝膠成本僅為5元/升)。此項研究在合成技術上的突破，有望為SiC氣凝膠的規模化生產和廣泛工程應用開辟一條“截然不同于現有的超臨界工藝”的新途徑。
 

　　對于燃燒合成而言，Si-C為弱放熱體系。其絕熱溫度范圍(1600 ~ 1700 K)低于自持燃燒反應的經驗判據(1800 K)。因此，在常規條件下難以實現Si-C的燃燒合成。在本研究中，通過優選作為碳源的聚四氟乙烯(PTFE)反應劑粉末，利用其作為反應促進劑和氣化劑的雙重作用，不僅實現了Si/C弱放熱反應體系的燃燒合成，而且實現了對產物微納尺度微結構的調控。反應前后的反應劑和合成產物的形貌如圖1所示。該反應一經點燃，便在2 s內達到超過57 atm的峰值壓力，并在4 s內實現了超過1800 ℃的峰值溫度。待反應冷卻至室溫后，體積膨脹比高達1076%。燃燒波前沿蔓延速率約為30 cm s?1。通過這種優化的燃燒合成策略，制備的SiC氣凝膠展現出了均勻的內部結構，并具有超輕量化和自支撐的顯著特性。
 

圖1. 燃燒合成SiC氣凝膠產品實物圖與工藝分析。
 

　　所得SiC氣凝膠是由眾多SiC納米線相互交織和堆疊而成的層狀結構材料。在燃燒波傳播的過程中，SiC納米線之間通過局部燒結作用形成了穩固的交聯結點，進而構筑了一個三維連續的互連網絡。這一獨特的微觀結構賦予了SiC氣凝膠在40%應變條件下良好的抗疲勞性能，能夠承受高達100次的循環加載而不發生破壞。SiC氣凝膠的層狀結構特征，結合其高達99.6%的孔隙率以及全陶瓷組分，為其帶來了一系列卓越的宏觀物理性能。其中包括在寬溫區范圍內(從-196 ℃至1100 ℃)展現出的可壓縮性，同時表明材料具備優異的溫度穩定性。此外，SiC氣凝膠在室溫條件下展現出的超低熱導率(0.027 W m?1 K?1)，以及在高溫下的隔熱性能，進一步凸顯了其在熱管理應用方面的潛力。
 

圖2. 燃燒合成SiC氣凝膠的力學性能
 

圖3. 燃燒合成SiC氣凝膠的隔熱性能
 

　　相關研究成果以“升量級碳化硅氣凝膠的快速低成本制備技術”(Rapid and inexpensive synthesis of liter-scale SiC aerogels)為題發表在《自然·通訊》(Nature Communications)期刊2024年第15期。中國科學院理化技術研究所博士生韓魯佳和清華大學材料學院博士后陳仕樂為本文共同第一作者，中國科學院理化技術研究所李江濤研究員和清華大學材料學院助理教授董巖皓為通訊作者。