中國技術團隊發布升量級SiC氣凝膠的快速低成本製備技術

星空体育app在线登录入口，來自中國科學院理化技術研究所和清華大學的技術團隊開發出低成本的升量級碳化矽氣凝膠的製備方法，相關(guan) 研究成果以“升量級碳化矽氣凝膠的快速低成本製備技術”（Rapid and inexpensive synthesis of liter-scale SiC aerogels）為(wei) 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後陳仕樂(le) 為(wei) 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岩皓為(wei) 通訊作者。

論文鏈接：

碳化矽（SiC）是一種典型的非氧化物高技術陶瓷，SiC陶瓷產(chan) 業(ye) 的發展依賴於(yu) 高端SiC粉體(ti) 原料與(yu) 產(chan) 品的研發與(yu) 快速、低成本生產(chan) 。SiC氣凝膠是SiC高端產(chan) 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打印技術等能夠製備出具有循環壓縮性、高拉伸性等優(you) 異性能的SiC納米線氣凝膠。但這些方法普遍存在工藝複雜、生產(chan) 周期長和製造成本高等問題，與(yu) 成熟的超臨(lin) 界幹燥工藝製備的SiO2氣凝膠相比缺乏競爭(zheng) 力。如何快速、低成本、低能耗製備大尺寸SiC氣凝膠，是領域內(nei) 麵臨(lin) 的瓶頸問題。

基於(yu) 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(yu) 清華大學董岩皓教授課題組開展合作：利用矽粉-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(nei) 即可獲得大尺寸SiC氣凝膠的可行性（生產(chan) 速率高達16 升/分鍾，使得氣凝膠的製備周期大幅度縮短）。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、低成本製備。對比測算表明，相較於(yu) 現有氣凝膠合成技術，生產(chan) 速度提升了10倍，製造成本降低了兩(liang) 個(ge) 數量級（該方法製備的SiC氣凝膠成本僅(jin) 為(wei) 5元/升）。此項研究在合成技術上的突破，有望為(wei) SiC氣凝膠的規模化生產(chan) 和廣泛工程應用開辟一條“截然不同於(yu) 現有的超臨(lin) 界工藝”的新途徑。

對於(yu) 燃燒合成而言，Si-C為(wei) 弱放熱體(ti) 係。其絕熱溫度範圍（1600 ~ 1700 K）低於(yu) 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(you) 選作為(wei) 碳源的聚四氟乙烯（PTFE）反應劑粉末，利用其作為(wei) 反應促進劑和氣化劑的雙重作用，不僅(jin) 實現了Si/C弱放熱反應體(ti) 係的燃燒合成，而且實現了對產(chan) 物微納尺度微結構的調控。反應前後的反應劑和合成產(chan) 物的形貌如圖1所示。該反應一經點燃，便在2 s內(nei) 達到超過57 atm的峰值壓力，並在4 s內(nei) 實現了超過1800 ℃的峰值溫度。待反應冷卻至室溫後，體(ti) 積膨脹比高達1076%。燃燒波前沿蔓延速率約為(wei) 30 cm s？1。通過這種優(you) 化的燃燒合成策略，製備的SiC氣凝膠展現出了均勻的內(nei) 部結構，並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(chan) 品實物圖與(yu) 工藝分析

所得SiC氣凝膠是由眾(zhong) 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(chuan) 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，進而構築了一個(ge) 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(wei) 其帶來了一係列卓越的宏觀物理性能。其中包括在寬溫區範圍內(nei) （從(cong) -196 ℃至1100 ℃）展現出的可壓縮性，同時表明材料具備優(you) 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麵的潛力。

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