碳化硅(SiC)是一種典型的非氧化物高技術(shù)陶瓷，SiC陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依賴于高端SiC粉體原料與產(chǎn)品的研發(fā)與快速、低成本生產(chǎn)。SiC氣凝膠是SiC高端產(chǎn)品的另一種典型代表。目前，已報道的如碳熱還原法、化學(xué)氣相沉積法、3D打印技術(shù)等能夠制備出具有循環(huán)壓縮性、高拉伸性等優(yōu)異性能的SiC納米線氣凝膠。但這些方法普遍存在工藝復(fù)雜、生產(chǎn)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(lǐng)域內(nèi)面臨的瓶頸問題。
 

　　基于上述背景，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所李江濤研究員團隊與清華大學(xué)董巖皓教授課題組開展合作：利用硅粉-聚四氟乙烯反應(yīng)劑之間的快速燃燒合成反應(yīng)，實現(xiàn)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(jīng)展示了在數(shù)秒內(nèi)即可獲得大尺寸SiC氣凝膠的可行性(生產(chǎn)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(xiàn)有氣凝膠合成技術(shù)，生產(chǎn)速度提升了10倍，制造成本降低了兩個數(shù)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(shù)上的突破，有望為SiC氣凝膠的規(guī)?；a(chǎn)和廣泛工程應(yīng)用開辟一條“截然不同于現(xiàn)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(yīng)的經(jīng)驗判據(jù)(1800 K)。因此，在常規(guī)條件下難以實現(xiàn)Si-C的燃燒合成。在本研究中，通過優(yōu)選作為碳源的聚四氟乙烯(PTFE)反應(yīng)劑粉末，利用其作為反應(yīng)促進劑和氣化劑的雙重作用，不僅實現(xiàn)了Si/C弱放熱反應(yīng)體系的燃燒合成，而且實現(xiàn)了對產(chǎn)物微納尺度微結(jié)構(gòu)的調(diào)控。反應(yīng)前后的反應(yīng)劑和合成產(chǎn)物的形貌如圖1所示。該反應(yīng)一經(jīng)點燃，便在2 s內(nèi)達到超過57 atm的峰值壓力，并在4 s內(nèi)實現(xiàn)了超過1800 ℃的峰值溫度。待反應(yīng)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(yōu)化的燃燒合成策略，制備的SiC氣凝膠展現(xiàn)出了均勻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(chǎn)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(jié)構(gòu)材料。在燃燒波傳播的過程中，SiC納米線之間通過局部燒結(jié)作用形成了穩(wěn)固的交聯(lián)結(jié)點，進而構(gòu)筑了一個三維連續(xù)的互連網(wǎng)絡(luò)。這一獨特的微觀結(jié)構(gòu)賦予了SiC氣凝膠在40%應(yīng)變條件下良好的抗疲勞性能，能夠承受高達100次的循環(huán)加載而不發(fā)生破壞。SiC氣凝膠的層狀結(jié)構(gòu)特征，結(jié)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(qū)范圍內(nèi)(從-196 ℃至1100 ℃)展現(xiàn)出的可壓縮性，同時表明材料具備優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。此外，SiC氣凝膠在室溫條件下展現(xiàn)出的超低熱導(dǎo)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(yīng)用方面的潛力。
 

圖2. 燃燒合成SiC氣凝膠的力學(xué)性能
 

圖3. 燃燒合成SiC氣凝膠的隔熱性能
 

　　相關(guān)研究成果以“升量級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)期刊2024年第15期。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所博士生韓魯佳和清華大學(xué)材料學(xué)院博士后陳仕樂為本文共同第一作者，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所李江濤研究員和清華大學(xué)材料學(xué)院助理教授董巖皓為通訊作者。