第一作者：韩鲁佳、陈仕乐

通讯作者：李江涛、董岩皓  

通讯单位：中科院理化技术研究所、清华大学

论文DOI：10.1038/s41467-024-51278-w

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近期，中国科学院理化技术研究所李江涛研究员团队与清华大学董岩皓教授课题组开展合作：利用Si-PTFE反应剂之间的快速燃烧合成反应，实现了大尺寸SiC气凝胶的闪速合成。该研究在实验室条件下已经展示了在数秒内即可获得大尺SiC气凝胶的可行性（生产速率高达以16升/分钟，使得气凝胶的制备周期大幅度缩短）。此外，该工艺具有合成过程近零能耗的突出特征，非常适合大尺寸SiC气凝胶的低碳、低成本制备。对比测算表明，相较于现有气凝胶合成技术，生产速度提升了10倍，制造成本降低了两个数量级（该方法制备的SiC气凝胶成本仅为5元/升）。此项研究在合成技术上的突破，有望为SiC气凝胶的规模化生产和广泛工程应用开辟一条“截然不同于现有的超临界工艺”的新途径。

背景介绍

作为非氧化物陶瓷的典型代表，SiC气凝胶具有较之目前商用的氧化物陶瓷气凝胶的诸多突出优势。因此，近年来围绕SiC气凝胶的合成技术得到了大量研发投入并取得了快速发展，相应的指备技术包括溶胶-凝胶法、碳热还原法、脉冲激光沉积法、化学气相沉积法、冷冻成型法，乃至先进的三维打印技术。基于这些技术已使研究人员能够制备出具有多尺度可调控微结构、卓越的循环压缩性、高拉伸性，以及低裂纹敏感性等热力学特性的SiC纳米线气凝胶。但总的看来，尽管这些制备技术取得了显著进展，由于制造成本、生产周期和工艺复杂性等方面的局限性，使得SiC气凝胶的性价比缺乏竞争力，这是制约其在工业领域广泛应用的瓶颈问题。

研究出发点

对于燃烧合成而言，Si-C为弱放热体系。其绝热温度范围（1600 ~ 1700 K）低于自持燃烧反应的经验判据（1800 K）。因此，在常规条件下难以实现Si-C的燃烧合成。在本研究中，通过优选作为碳源的聚四氟乙烯（PTFE）反应剂粉末，利用其作为反应促进剂和气化剂的双重作用，不仅实现了Si/C弱放热反应体系的燃烧合成，而且实现了对产物微纳尺度微结构的调控。反应前后的反应剂和合成产物的形貌如图1所示。

该反应一经点燃，便在2 s内达到超过57 atm的峰值压力，并在4 s内实现了超过1800 ℃的峰值温度。待反应冷却至室温后，体积膨胀比高达1076%。燃烧波前沿蔓延速率约为30 cm s−1。通过这种优化的燃烧合成策略，制备的SiC气凝胶展现出了均匀的内部结构，并具有超轻量化和自支撑的显著特性。

图1 | 快速制备SiC气凝胶。 a,燃烧合成法制备SiC气凝胶示意图。b,燃烧合成过程中的压力和温度变化。c, Si/ PTFE粉末，1MPa氩气中燃烧波传播过程照片。d-e, 在同一反应料舟中，燃烧合成前的初始反应物粉末和燃烧合成后的最终产物照片。f, 燃烧合成后体积为2.5 L的SiC气凝胶实物照片。g, 不同合成方法制备SiC气凝胶的时间和成本对比图。

所得SiC气凝胶是由众多SiC纳米线相互交织和堆叠而成的层状结构材料。在燃烧波传播的过程中，SiC纳米线之间通过局部烧结作用形成了稳固的交联结点，进而构筑了一个三维连续的互连网络。这一独特的微观结构赋予了SiC气凝胶在40%应变条件下良好的抗疲劳性能，能够承受高达100次的循环加载而不发生破坏。SiC气凝胶的层状结构特征，结合其高达99.6%的孔隙率以及全陶瓷组分，为其带来了一系列卓越的宏观物理性能。其中包括在宽温区范围内（从-196 ℃至1100 ℃）展现出的可压缩性，同时表明材料具备优异的温度稳定性。此外，SiC气凝胶在室温条件下展现出的超低热导率（0.027 W m−1 K−1），以及在高温下的隔热性能，进一步凸显了其在热管理应用方面的潜力。

图2 | SiC气凝胶的微观结构和化学组成。a, XRD。b, 低倍率SEM。c,高倍率SEM。d, TEM。e, HRTEM。f, g, TEM表明SiC表面包覆有非晶SiOx层。f中插图显示为β-SiC相。h,EDS能谱显示C, O和Si元素均匀分布。O信号归因于表面的SiOx层。i, XPS全谱图j, Si 2p,k, C 1s,和l, O 1s。

图3 | SiC气凝胶的力学性能。 a, 不同温度下的热膨胀系数。b, ~ 25 ℃和d, ~ −196 ℃下，SiC气凝胶在20%、40%、60%和80%固定应变下的σ-ε曲线。c, ~ 25 ℃和e, ~ −196 ℃进行了100次疲劳试验，压缩ε值为40%。f, SiC气凝胶在1200 ℃空气中热处理100次(每次30 s)，压缩ε为60%后的σ-ε曲线。g-h, SiC气凝胶的弯曲和卷曲过程。

图4 | SiC气凝胶的隔热性能。 a, 花瓣直接放在石棉网上或气凝胶上，在酒精灯火焰上加热。b, 不同密度SiC气凝胶的热导率。c,不同温度下SiC气凝胶(~12 mg cm-3)的热导率。d, 不同厚度的SiC气凝胶在100 ℃加热平台上加热时对应的温度与时间曲线。e, d中SiC气凝胶的表面辐射温度。f, 丁烷喷灯下加热SiC气凝胶300 s的光学和红外图像。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51278-w