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(lài)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?zé)岱雷o(hù)材料，以高熔點(diǎn)、超輕密度、極低熱導(dǎo)率及卓越的熱機(jī)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(xué)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(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)以及制造成本高等問(wèn)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?xún)r(jià)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(yīng)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(lǐng)域面臨的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題。 在此背景下，清華大學(xué)材料學(xué)院董巖皓助理教授與中國(guó)科學(xué)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(yīng)劑之間快速的自蔓延燃燒合成反應(yīng)，成功實(shí)現(xiàn)了升量級(jí)碳化硅氣凝膠的閃速合成。此項(xiàng)研究在實(shí)驗(yàn)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(dá)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(guò)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(duì)比測(cè)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)?；a(chǎn)和廣泛工程應(yīng)用開(kāi)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?zé)釋?dǎo)率可降至 0.027W/(m·K)。由于其獨(dú)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(yīng)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(zhǎng)期服役溫度上限預(yù)估為 1000 攝氏度，在惰性氣氛下可達(dá) 1700 攝氏度，在極端條件熱防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 8 月 13 日，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)”為題，發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所 2020 級(jí)博士生韓魯佳和清華大學(xué)材料學(xué)院博士后陳仕樂(lè)為論文共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員李江濤和清華大學(xué)材料學(xué)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。