碳化硅(SiC)是一种典型的非氧化物高技术陶瓷，SiC陶瓷产业的发展依赖于高端SiC粉体原料与产品的研发与快速、低成本生产。SiC气凝胶是SiC高端产品的另一种典型代表。目前，已报道的如碳热还原法、化学气相沉积法、3D打印技术等能够制备出具有循环压缩性、高拉伸性等优异性能的SiC纳米线气凝胶。但这些方法普遍存在工艺复杂、生产周期长和制造成本高等问题，与成熟的超临界干燥工艺制备的SiO2气凝胶相比缺乏竞争力。如何快速、低成本、低能耗制备大尺寸SiC气凝胶，是领域内面临的瓶颈问题。
基于上述背景，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：利用硅粉-聚四氟乙烯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寸SiC气凝胶的可行性(生产速率高达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。
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. 燃烧合成SiC气凝胶产品实物图与工艺分析。
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. 燃烧合成SiC气凝胶的力学性能
图3. 燃烧合成SiC气凝胶的隔热性能
相关研究成果以“升量级碳化硅气凝胶的快速低成本制备技术”(Rapid and inexpensive synthesis of liter-scale SiC aerogels)为题发表在《自然·通讯》(Nature Communications)期刊2024年第15期。中国科学院理化技术研究所博士生韩鲁佳和清华大学材料学院博士后陈仕乐为本文共同第一作者，中国科学院理化技术研究所李江涛研究员和清华大学材料学院助理教授董岩皓为通讯作者。
