中科大张和平教授、程旭东副教授 Small: 空吸效应诱导制备超隔热、超弹性碳化硅气凝胶

点击蓝字关注我们

碳化硅(SiC)气凝胶具有质地轻、热稳定性好等优点，是一种很有前途的耐高温隔热材料，因此其在飞行器端面隔热、锂电池模组隔热等高温隔热场景都有着巨大的应用潜力。然而，目前报道的碳化硅气凝胶普遍存在力学性能不佳，且导热系数偏高的问题，这大大限制了碳化硅气凝胶的隔热应用。

中科大火灾科学国家重点实验室的张和平教授、程旭东副教授以及潘月磊博士在《Small》期刊上发表了题为“Implementing Air Suction Effect Induction Strategy to Create Super Thermally Insulating and Superelastic SiC Aerogels”的文章（doi.org/10.1002/smll.202201039）。为提高碳化硅气凝胶的力学性能和隔热性能，该课题组首次提出利用空吸效应诱导(ASEI)策略来制备具有定向层状孔结构的超隔热、超弹性SiC气凝胶(STISA)。本策略利用空吸效应调控反应气体一氧化硅(SiO)的定向流动，随后诱导形成定向层状孔结构。该策略的优势主要包括以下三点: 一、与传统SiC气凝胶制备方法(如模板法)相比, ASEI策略的烧结时间减少了90%以上(从2小时10分钟)；二、与之前报道的脆性SiC气凝胶相比，采用ASEI策略得到气凝胶的弹性形变从不足10%提高到60%。三、定向层状孔结构使得该碳化硅气凝胶展现出优异的隔热性能，其导热系数低至0.019 W m^-1 K^-1。因此，该空吸效应诱导策略为制备超隔热、超弹性碳化硅气凝胶提供了一个新思路。

图1 结构设计及STISA的基本表征。a) STISA的制备流程图；b) STISA的生长机制；c)激光照射下STISA样品的各向异性等温线图；d) STISA的隔热性能；e) STISA大尺寸样品(10 cm × 10 cm × 1 cm)；f) STISA在丁烷喷灯火焰加热时的耐高温性能；g) STISA的XRD谱图；h) SiC纳米线的TEM图像；i) (h)中SiC纳米线对应的HR-TEM图像；j) Si、C、O对应的元素映射图像。

如图1所示，通过空吸效应诱导策略，实验制备得到了碳化硅气凝胶。由于空吸效应诱导的定向层状孔结构，所制备的样品具有尺寸大、各向异性、超绝热、耐高温等优点(图1c-f)。同时XRD、TEM、Raman和XPS等表征结果证实了SiC的成功合成。

图2空吸效应诱导定向层状孔结构。a)仿真模型；b) 空吸效应示意图；c)质量流量随进口压力的变化图；d)进口压力为16kpa时空吸效应的模拟结果；e) 在0、f) 6、g) 8.5 kPa入口压力下制备样品的SEM图像。

为了更好地利用空吸效应诱导定向孔结构的形成，一系列数值模拟用来分析空吸效应的诱导效果(图2)。通过对不同管道入口压力(0~16kpa)下气流运动进行模拟，得到了入口压力与定向反应气流SiO质量流量的关系，并据此找到了能够实现空吸效应诱导策略的临界入口压力（8.5 kPa）。为了验证数值模拟结果的可靠性，在不同入口压力下（0, 6, 8.5 kPa）制备得到了一系列样品。SEM观测了不同样品的形貌和结构，结果表明当入口压力大于8.5 kPa时，产生的有效空吸效应能够诱导定向层状孔结构形成。具体来说，在有效的空吸效应下，SiO气体能实现定向流动，进而使得SiC定向生长。最终，得到了具有定向层状孔结构的SiC气凝胶。

图3 STISA的力学性能。a)样品的力学测试照片(ε = 60%)；b) 400圈循环下STISA的应力-时间曲线；c)不同应变下的应力-应变曲线；d) 400圈循环下STISA的应力-应变曲线；e)循环试验中STISA的能量损失系数和高度保持率；f)循环试验中STISA的最大应力和杨氏模量变化；g)不同应变下STISA的泊松比；h) STISA轴向应力-应变曲线；i) DMA测试中STISA的存储模量、损耗模量和损耗因子；j) STISA与之前报道的类似材料的性能比较；k)极端温度(−196、500和1000 ℃)处理10 h后，STISA的最大应力。

如图3所示，利用万能力学测试机研究样品的弹性。结果表明该碳化硅气凝胶可以承受高达60%的弹性变形。即使在经过400个循环加载-卸载测试后，样品也没发生明显的结构变形，表现出优异的抗疲劳性能。此外，对极端温度处理后样品的力学性能进行了研究，结果表明在极端温度(−196、500和1000 ℃)处理10小时后，样品的最大应力仍能保持在80%以上，证实了该气凝胶在极端温度冲击后仍能够保持较高的力学强度。

图4 STISA的耐高温性能。a)用丁烷喷灯加热STISA样品；b) STISA样品在1000 ℃下处理24 h仍具有弹性；c)STISA的热重曲线；d) 900 ~ 1300 ℃的STISA样品的原位XRD谱图；e)在1300 ℃空气中热处理1 h后SiC纳米线的SEM图像；f) (e)中相应的STISA放大的SEM图像；g)在1300 ℃空气中热处理1 h后的SiC纳米线的TEM图像。

丁烷喷灯火焰加热实验初步证明了该气凝胶具有优异的耐高温性能，TG曲线证实了该气凝胶可以在空气中耐受1200 ℃高温。此外，将该气凝胶在1000 ℃中处理24 h后，其仍能保持良好的弹性，说明其能够长期承受高温冲击 (图4b)。为了进一步探究该气凝胶的耐高温机理，原位XRD用来分析加热过程中相结构变化(图4d)。结果表明，在1200℃之前，XRD谱图中特征峰的强度和位置基本不变。这表明SiC晶体几乎没有被氧化。直到1300℃时，XRD谱图在大约22°处出现了一个宽峰，对应于非晶态SiO₂。SEM和TEM图也证实了非晶态SiO₂的形成。以上结果表明SiC气凝胶的耐高温性能与表面的非晶态SiO₂有关。非晶态SiO₂抑制了碳化硅气凝胶的进一步氧化，提高了碳化硅气凝胶的耐高温性能。

图5 STISA的隔热性能。a) STISA径向导热系数；b) STISA与其他气凝胶导热系数和最高工作温度的比较；c)用丁烷喷灯加热的样品示意图；d)丁烷喷枪火焰加热时，STISA的轴向和径向红外图像的比较；e) STISA各向异性传递机理示意图。

在室温下，该气凝胶的径向(垂直于定向层状孔结构方向)导热系数低至0.019 W m^-1 K^-1(图5a)，显著低于报道先前报道的SiC气凝胶。同时该气凝胶具有各向异性的隔热性能，红外热像图证实了这一点。这主要是因为该气凝胶定向层状孔结构赋予了其各向异性的传热过程。为了进一步分析其隔热机理，利用热阻串并联模型对传热过程进行了分析。结果表明，热阻串并联模型能较好地解释各向异性传热过程。当热阻并联时，热阻较低的部分(SiC纳米线片层)对整个传热的贡献较大，从而增加了轴向导热系数。热阻串联时，热阻较大的部分(定向层状孔结构层)占主导地位，从而径向导热系数较低。因此，该气凝胶具有各向异性的隔热性能。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202201039

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。