中科院理化所李江涛&清华董岩皓Nature子刊：近零能耗闪速制备陶瓷气凝胶

中科院理化所李江涛研究员团队与清华大学董岩皓教授课题组合作，利用Si-PTFE反应剂间的快速燃烧合成反应，实现了大尺寸SiC气凝胶的近零能耗闪速制备，突破了现有技术瓶颈，为规模化生产和工程应用开辟了新途径。研究背景与突破意义SiC气凝胶作为非氧化物陶瓷的典型代表，具有多尺度可调控微结构、卓越的循环压缩性、高拉伸性及低裂纹敏感性等优势，但现有制备技术因制造成本高、生产周期长、工艺复杂，导致其性价比缺乏竞争力，限制了工业应用。该研究通过优化燃烧合成策略，实现了数秒内制备大尺寸SiC气凝胶（生产速率达16 L/min），且合成过程近零能耗，制造成本降低两个数量级（仅0.7 $/L），生产速度提升10倍，为规模化生产提供了可行方案。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。技术原理与创新点燃烧合成体系优化：针对Si-C弱放热体系（绝热温度1600~1700 K，低于自持燃烧判据1800 K），通过优选聚四氟乙烯（PTFE）作为碳源和反应促进剂，利用其双重作用实现燃烧合成，并调控产物微纳结构。极端反应条件实现：反应一经点燃，2秒内压力达57 atm，4秒内温度超1800℃，燃烧波前沿蔓延速率约30 cm/s，冷却后体积膨胀比高达1076%，形成均匀内部结构。微观结构与性能关联：SiC纳米线相互交织形成三维连续互连网络，局部烧结产生稳固交联结点，赋予材料高孔隙率（99.6%）、全陶瓷组分及优异温度稳定性。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。XPS全谱图i,Si 2p,k,C 1s,和l,O 1s。材料性能优势力学性能：抗疲劳性：在40%应变条件下可承受100次循环加载不破坏。宽温区可压缩性：在-196℃至1100℃范围内保持结构稳定性。柔韧性：支持弯曲和卷曲操作，展示自支撑特性。热学性能：超低热导率：室温下为0.027 W m?1 K?1，高温隔热性能显著。隔热效果：在丁烷喷灯加热300秒后，表面温度显著低于直接加热场景，验证其热防护能力。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。应用潜力与展望热管理领域：凭借超低热导率和高温隔热性能，适用于航空航天、工业炉窑、电子器件等场景的热防护与节能。轻量化结构材料：高孔隙率和优异力学性能使其成为理想的结构承载与隔热一体化材料。规模化生产前景：近零能耗、低成本及高速制备技术为SiC气凝胶的工业化应用奠定了基础，有望推动陶瓷气凝胶从实验室研究向实际工程转型。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。该研究以“Rapid and inexpensive synthesis of liter-scale SiC aerogels”为题发表于《Nature Communications》，为陶瓷气凝胶领域提供了突破性技术方案，标志着我国在高端陶瓷材料制备技术上迈入国际领先行列。