碳化矽是一種典型的非氧化物高技術陶瓷，碳化矽陶瓷産業的發展依賴于高端碳化矽粉體原料與産品的研發與規模生産。碳化矽氣凝膠是一種優異的高溫熱防護材料，以其高熔點、超輕密度、極低熱導率和卓越的熱機械性能，受到了全球科研人員的關注。目前，已報道的碳化矽氣凝膠合成技術包括溶膠凝膠法、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打印技術等。基于這些技術，研究人員能夠制備出具有多尺度可調控微結構、卓越循環壓縮特性、高拉伸性以及低損傷敏感性等優異性能的碳化矽氣凝膠。但這些方法普遍存在工藝複雜、生産周期長和制造成本高等問題。與成熟的超臨界幹燥工藝氧化矽氣凝膠相比，碳化矽氣凝膠目前在性價比方面缺乏競争力，制約了其發展與應用。如何快速、低成本、低能耗制備大尺寸碳化矽氣凝膠，是領域内面臨的瓶頸問題。

基于上述背景，beat365董岩皓助理教授與中國科學院理化技術研究所李江濤研究員提出了一種全新的碳化矽氣凝膠自蔓延制備方法，利用原料矽粉與聚四氟乙烯反應劑之間快速的自蔓延燃燒合成反應，實現了升量級碳化矽氣凝膠的閃速合成。該研究在實驗室條件下展示了在數秒内制備大尺寸碳化矽氣凝膠的可行性，生産速率約為16升/分鐘，大幅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突出特征，非常适合碳化矽氣凝膠的大批量、低碳、低成本制備。對比測算表明，相較于現有的碳化矽氣凝膠合成技術，自蔓延制備新方法的生産速度提升了10倍，估算成本約為5元/升，制造成本大幅降低。此項研究在合成技術上的突破，有望為碳化矽氣凝膠的規模化生産和廣泛工程應用開辟一條不同于現有超臨界幹燥工藝的新途徑。

圖1.自蔓延合成碳化矽氣凝膠産品實物圖與工藝分析

自蔓延高溫合成的碳化矽氣凝膠具有優異的熱力性能。大批量合成的碳化矽氣凝膠樣品具有99.6%的超高孔隙率，密度僅為12 mg cm⁻³，室溫熱導率可以降至0.027 W m⁻¹K⁻¹。由于其獨特的層狀納米線堆疊結構，碳化矽氣凝膠在零下200攝氏度到1100攝氏度的寬溫區範圍内均表現出優異的結構穩定性和壓縮回彈性。樣品在40%壓縮應變條件下能夠承受數百次循環載荷而不發生明顯損壞，具有良好的抗損傷性能。在熱穩定性方面，碳化矽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，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。

圖2.自蔓延合成碳化矽氣凝膠的力學性能

圖3.自蔓延合成碳化矽氣凝膠的隔熱性能

8月13日，相關研究成果以“升量級碳化矽氣凝膠的快速低成本制備技術”（Rapid and inexpensive synthesis of liter-scale SiC aerogels）為題，發表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。

中國科學院理化技術研究所2020級博士生韓魯佳和beat365博士後陳仕樂為論文共同第一作者，中國科學院理化技術研究所研究員李江濤和beat365助理教授董岩皓為論文通訊作者。

論文鍊接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-51278-w