碳化硅是一种典型的非氧化物高技术陶瓷，碳化硅陶瓷产业的发展依赖于高端碳化硅粉体原料与产品的研发与规模生产。碳化硅气凝胶是一种优异的高温热防护材料，以其高熔点、超轻密度、极低热导率和卓越的热机械性能，受到了全球科研人员的关注。
目前，已报道的碳化硅气凝胶合成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、3D打印技术等。基于这些技术，研究人员能够制备出具有多尺度可调控微结构、卓越循环压缩特性、高拉伸性以及低损伤敏感性等优异性能的碳化硅气凝胶。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氧化硅气凝胶相比，碳化硅气凝胶目前在性价比方面缺乏竞争力，制约了其发展与应用。
由于其高孔隙率和出色的绝缘性能，气凝胶长期以来一直被美国国家航空航天局(NASA)等航天机构使用，但生产这种材料的成本一直都很高。根据美国宇航局网站上的信息，2005年，美国宇航局航天器上使用的气凝胶每升价格约为1000美元。随着合成技术的进步，价格已经下降，但高性能碳化硅(SiC)气凝胶仍然昂贵，每升价格在几百到几千美元之间。
如何快速、低成本、低能耗制备大尺寸碳化硅气凝胶，是领域内面临的瓶颈问题。
中国科学家新突破
基于上述背景，清华大学材料学院董岩皓助理教授与中国科学院理化技术研究所李江涛研究员提出了一种全新的碳化硅气凝胶自蔓延制备方法，利用原料硅粉与聚四氟乙烯反应剂之间快速的自蔓延燃烧合成反应，实现了升量级碳化硅气凝胶的闪速合成。
该研究在实验室条件下展示了在数秒内制备大尺寸碳化硅气凝胶的可行性，生产速率约为16升/分钟，大幅缩短了陶瓷气凝胶的制备周期。此外，该工艺具有合成过程近零能耗的突出特征，非常适合碳化硅气凝胶的大批量、低碳、低成本制备。对比测算表明，相较于现有的碳化硅气凝胶合成技术，自蔓延制备新方法的生产速度提升了10倍，估算成本约为5元/升，制造成本大幅降低。此项研究在合成技术上的突破，有望为碳化硅气凝胶的规模化生产和广泛工程应用开辟一条不同于现有超临界干燥工艺的新途径。
图1 自蔓延合成碳化硅气凝胶产品实物图与工艺分析
自蔓延高温合成的碳化硅气凝胶具有优异的热力性能。大批量合成的碳化硅气凝胶样品具有99.6%的超高孔隙率，密度仅为12 mg cm−3，室温热导率可以降至0.027 W m−1K−1。由于其独特的层状纳米线堆叠结构，碳化硅气凝胶在零下200摄氏度到1100摄氏度的宽温区范围内均表现出优异的结构稳定性和压缩回弹性。样品在40%压缩应变条件下能够承受数百次循环载荷而不发生明显损坏，具有良好的抗损伤性能。在热稳定性方面，碳化硅气凝胶在氧化气氛中的长期服役温度上限预估为1000摄氏度，惰性气氛下可达1700摄氏度，在极端条件热防护领域具有广阔的应用前景。
图2 自蔓延合成碳化硅气凝胶的力学性能
图3 自蔓延合成碳化硅气凝胶的隔热性能
在我国，先进的气凝胶已经被用于重大的航空航天项目，如“天问一号”任务发动机的隔热材料、“嫦娥四号”月球探测器的热电电池和“长征五号”火箭的高温燃料系统。
8月13日，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）上。
中国科学院理化技术研究所2020级博士生韩鲁佳和清华大学材料学院博士后陈仕乐为论文共同第一作者，中国科学院理化技术研究所研究员李江涛和清华大学材料学院助理教授董岩皓为论文通讯作者。
碳化硅气凝胶在建筑中的应用
碳化硅气凝胶的优异绝热性能使得建筑在使用过程中能够显著减少能源消耗，达到节能降耗的目的，是一种具有广阔应用前景的建筑保温隔热材料。而且碳化硅气凝胶作为一种无机材料，不含有害物质，且在高温下也不会产生有毒气体，符合环保安全的要求。
外墙保温：碳化硅气凝胶可以作为外墙保温材料使用，通过在外墙上涂覆或粘贴碳化硅气凝胶层，可以有效地阻止热量从室内向室外传递，提高建筑的保温性能。
屋顶保温：屋顶是建筑热量散失的主要部位之一。使用碳化硅气凝胶作为屋顶保温材料，可以显著减少屋顶的热量散失，提高建筑的节能效果。
门窗隔热：门窗是建筑围护结构中的薄弱环节，容易成为热量传递的通道。通过在门窗框中填充碳化硅气凝胶，可以增强门窗的隔热性能，减少热量通过门窗的损失。
过去，碳化硅气凝胶的生产成本相对较高，限制了其在建筑项目中的普及应用。而中国科学家的新发现，将有助于碳化硅气凝胶在建筑节能领域发挥更大作用。
素材来源：清华新闻网、清华大学材料学院
热门跟贴