碳化硅作為典型的非氧化物高技術(shù)陶瓷，其陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展高度依賴高端碳化硅粉體原料與產(chǎn)品的研發(fā)及規(guī)模生產(chǎn)。其中，碳化硅氣凝膠作為優(yōu)異的高溫熱防護材料，以高熔點、超輕密度、極低熱導率及卓越的熱機械性能，備受全球科研人員矚目。目前，已有的碳化硅氣凝膠合成技術(shù)涵蓋溶膠凝膠法、碳熱還原法、脈沖激光沉積法、化學氣相沉積法、冷凍成型法、3D 打印技術(shù)等。借助這些技術(shù)，研究人員能夠成功制備出具有多尺度可調(diào)控微結(jié)構(gòu)、卓越循環(huán)壓縮特性、高拉伸性以及低損傷敏感性等出色性能的碳化硅氣凝膠。然而，這些方法普遍存在工藝復雜、生產(chǎn)周期長以及制造成本高等問題。與成熟的超臨界干燥工藝氧化硅氣凝膠相比，碳化硅氣凝膠在性價比方面目前稍顯不足，這在一定程度上制約了其發(fā)展與應用。快速、低成本、低能耗地制備大尺寸碳化硅氣凝膠，成為該領域面臨的關鍵瓶頸問題。 在此背景下，清華大學材料學院董巖皓助理教授與中國科學院理化技術(shù)研究所李江濤研究員共同提出一種全新的碳化硅氣凝膠自蔓延制備方法。該方法利用原料硅粉與聚四氟乙烯反應劑之間快速的自蔓延燃燒合成反應，成功實現(xiàn)了升量級碳化硅氣凝膠的閃速合成。此項研究在實驗室條件下充分展示了數(shù)秒內(nèi)制備大尺寸碳化硅氣凝膠的可行性，生產(chǎn)速率高達約 16 升/分鐘，極大地縮短了陶瓷氣凝膠的制備周期。此外，該工藝具有合成過程近零能耗的顯著特征，非常適合碳化硅氣凝膠的大批量、低碳、低成本制備。對比測算結(jié)果表明，相較于現(xiàn)有的碳化硅氣凝膠合成技術(shù)，自蔓延制備新方法的生產(chǎn)速度提升了 10 倍，估算成本僅為 5 元/升，制造成本大幅降低。這一研究在合成技術(shù)上的重大突破，有望為碳化硅氣凝膠的規(guī)模化生產(chǎn)和廣泛工程應用開辟一條有別于現(xiàn)有超臨界干燥工藝的全新途徑。 自蔓延高溫合成的碳化硅氣凝膠具備卓越的熱力性能。大批量合成的碳化硅氣凝膠樣品擁有 99.6%的超高孔隙率，密度低至 12mg/cm³，室溫熱導率可降至 0.027W/(m·K)。由于其獨特的層狀納米線堆疊結(jié)構(gòu)，碳化硅氣凝膠在零下 200 攝氏度至 1100 攝氏度的寬溫區(qū)范圍內(nèi)均呈現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和壓縮回彈性。樣品在 40%壓縮應變條件下能夠承受數(shù)百次循環(huán)載荷而不出現(xiàn)明顯損壞，具有良好的抗損傷性能。在熱穩(wěn)定性方面，碳化硅氣凝膠在氧化氣氛中的長期服役溫度上限預估為 1000 攝氏度，在惰性氣氛下可達 1700 攝氏度，在極端條件熱防護領域具有廣闊的應用前景。 8 月 13 日，相關研究成果以“升量級碳化硅氣凝膠的快速低成本制備技術(shù)”為題，發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。中國科學院理化技術(shù)研究所 2020 級博士生韓魯佳和清華大學材料學院博士后陳仕樂為論文共同第一作者，中國科學院理化技術(shù)研究所研究員李江濤和清華大學材料學院助理教授董巖皓為論文通訊作者。 論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51278-w。