【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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(lài)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(bào)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(zhǎng)和制造成本高等問(wèn)題，與成熟的超臨界干燥工藝制備的SiO2氣凝膠相比缺乏競(jìng)爭(zhēng)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(wèn)題。
 

　　基于上述背景，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所李江濤研究員團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)董巖皓教授課題組開(kāi)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(shí)現(xiàn)了大尺寸SiC氣凝膠的閃速合成。該研究在實(shí)驗(yàn)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(dá)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(guò)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(duì)比測(cè)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(gè)數(shù)量級(jí)(該方法制備的SiC氣凝膠成本僅為5元/升)。此項(xiàng)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(kāi)辟一條“截然不同于現(xiàn)有的超臨界工藝”的新途徑。
 

　　對(duì)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(yàn)判據(jù)(1800 K)。因此，在常規(guī)條件下難以實(shí)現(xiàn)Si-C的燃燒合成。在本研究中，通過(guò)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(jìn)劑和氣化劑的雙重作用，不僅實(shí)現(xiàn)了Si/C弱放熱反應(yīng)體系的燃燒合成，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(diǎn)燃，便在2 s內(nèi)達(dá)到超過(guò)57 atm的峰值壓力，并在4 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1800 ℃的峰值溫度。待反應(yīng)冷卻至室溫后，體積膨脹比高達(dá)1076%。燃燒波前沿蔓延速率約為30 cm s−1。通過(guò)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(shí)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(guò)程中，SiC納米線之間通過(guò)局部燒結(jié)作用形成了穩(wěn)固的交聯(lián)結(jié)點(diǎn)，進(jìn)而構(gòu)筑了一個(gè)三維連續(xù)的互連網(wǎng)絡(luò)。這一獨(dú)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(dá)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(dá)99.6%的孔隙率以及全陶瓷組分，為其帶來(lái)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(shí)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(jìn)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(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)期刊2024年第15期。中國(guó)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(lè)為本文共同第一作者，中國(guó)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。