中國粉體網訊 氣凝膠由于其高比表面積、高孔隙率、低密度和低熱導率等優異性能，已被廣泛應用于隔熱保溫、吸附、催化和能源等領域，但隨著氣凝膠應用領域的越發廣泛，普遍應用于650℃及以下隔熱領域的傳統SiO2氣凝膠在高溫下結構易坍塌，致使材料致密化，從而喪失其優異性能，其他氧化物基氣凝膠的高溫熱穩定性也有待進一步加強，高溫局限性極大地限制了氧化物基氣凝膠在高溫領域的應用。
碳化物是一種高硬度、高熔點和化學性質穩定的化合物，一般通過原位生成法制得，在制備過程中控制工藝參數將碳化物制成氣凝膠結構，可提升氣凝膠材料的使用溫度，進而拓展在高溫領域的應用，如航天航空、高溫窯爐、核能等領域。碳化硅氣凝膠材料是典型代表之一。
碳化硅氣凝膠的應用
與多孔SiC陶瓷相比，SiC氣凝膠具有介孔結構豐富、比表面積高和密度低等優勢，在高溫隔熱、電磁吸波等領域表現出巨大的應用潛力。
高溫隔熱
碳化硅氣凝膠化學性質穩定、熱膨脹系數小、比消光系數高、抗熱震性能好且在空氣中可耐1000℃以上高溫，是一種有潛力的高溫隔熱材料，尤其適合應用在強腐蝕、強熱震、電磁干擾嚴重的惡劣環境中。近十年來，針對碳化硅氣凝膠隔熱材料，研究重點主要集中在SiC陶瓷轉化工藝、熱導率優化、SiC纖維氣凝膠及其宏量制備等方面。
為了碳化硅氣凝膠的進一步應用，應克服其脆性、力學性能差等缺陷。SiC納米線具有一維納米材料的彈性、柔韌性以及SiC陶瓷優異的高溫熱化學穩定性的綜合特性，使其具有廣泛的應用前景。
電磁吸波
SiC是一種重要的寬帶隙半導體材料，具有介電性能好和理想的微波吸收性能的優點，是一種被廣泛研究的電磁吸波材料。近年來，由于氣凝膠的三維納米網絡多孔結構通過增加電磁波在納米孔內的反射次數可以有效提高電磁吸波性能，SiC氣凝膠作為新型電磁吸波材料而受到廣泛關注。
SiC氣凝膠粉體作為高損耗吸波劑在涂覆型吸波材料領域應用時，具有輕質、耐高溫、寬頻吸波等特點；SiC氣凝膠作為塊體應用時，不僅具有吸波性能，還能滿足特殊部件的隔熱要求，實現構件的吸波/隔熱一體化。氣凝膠吸波材料領域的有限研究表明，SiC氣凝膠可表現出較好的吸波特性，且具備SiC材料優秀的耐高溫與穩定性，認為其具備成為新型吸波/隔熱一體化材料的潛力。
碳化硅氣凝膠的制備方法
近年來，研究人員開發出有機/SiO2復合氣凝膠碳熱還原法、預陶瓷化聚合物裂解法、化學氣相沉積法、高溫氣相滲硅法和SiC納米線自組裝法等新型方法，用于制備高性能的塊狀SiC氣凝膠。
有機/SiO2復合氣凝膠碳熱還原法
以有機/SiO2復合氣凝膠為前驅體，通過碳熱還原法制備塊狀SiC氣凝膠的基本技術路線為：首先通過溶膠-凝膠法制備有機/SiO2氣凝膠前驅體，然后經過炭化得到C/SiO2復合氣凝膠，C/SiO2復合氣凝膠再經過高溫碳(鎂)熱還原(和煅燒除去游離碳)即可得到SiC氣凝膠。經研究發現，在有機/SiO2復合氣凝膠碳熱還原法中，前驅體的結構和碳熱還原工藝直接決定了最終SiC氣凝膠的結構和性能。
預陶瓷化聚合物裂解法
利用預陶瓷化聚合物合成氣凝膠是氣凝膠制備的一個新領域，對于SiC氣凝膠而言，這種預陶瓷化聚合物裂解策略可以避免有機/SiO2復合氣凝膠碳熱還原法，擺脫了對首先要制備RF/SiO2氣凝膠的依賴，而且預陶瓷化聚合物前驅體中的Si和C元素實現了原子級別的混合，因此高溫熱處理溫度顯著降低。根據預陶瓷化聚合物成型方式的不同，又可以分為預陶瓷化聚合物直接交聯成型法和納米澆筑成型法。
化學氣相沉積法
化學氣相沉積法制備SiC氣凝膠是指通過應用聚合物熱解化學氣相沉積(PPCVD)在具有三維納米多孔網絡結構的模板中制備SiC納米結構單元，隨著構筑單元的逐漸增多，這些SiC納米結構單元會發生自組裝，去除模板后即可得到SiC氣凝膠，制備的SiC氣凝膠可以較好地保持模板的形狀和尺寸。由于多孔炭材料具有孔隙均勻、骨架結構穩固、孔隙率高和氧化溫度低等優勢，因此常被用作SiC氣凝膠的模板和生長基質。
通過化學氣相沉積法制備的SiC氣凝膠多由SiC納米線組成，因此具有良好的彈性、彎曲性和可逆壓縮性。然而，化學氣相沉積的制備過程需要苛刻的條件，成本較高，不利于工業化大規模生產。
高溫氣相滲硅法
高溫氣相滲硅法制備SiC氣凝膠是指在高溫真空環境中用氣相硅(Si蒸氣和氣相SiO)對多孔炭材料進行高溫氣相滲透，使氣相硅進入多孔結構中并與碳組分發生反應生成SiC，進而得到SiC氣凝膠。
相比于傳統的多孔炭材料，用生物質作為碳前驅體合成的多孔炭具有成本低廉和工藝簡單的優勢，采用生物質作為原料進行材料的制備和合成成為一個重要的研究方向。
高溫氣相滲硅法制備SiC氣凝膠的工藝相對簡單，具有制備周期短、組成可調節和易后加工等優勢，但也存在熱處理溫度較高和反應時間較長的問題。高溫氣相滲硅法制備SiC氣凝膠對初始的多孔炭材料具有很高的要求，因為多孔炭的微觀結構和形貌直接決定了制備的SiC氣凝膠的組織結構。
SiC納米線組裝法
SiC納米線不僅具有SiC陶瓷的優異性質，還表現出優異的柔性、彈性、高彎曲強度和楊氏模量，因此制備三維SiC納米線氣凝膠是改善SiC氣凝膠脆性的重要思路。
SiC納米線自組裝法制備的SiC氣凝膠具有優異的柔性、彈性和高彎曲性，且工藝簡單，易大規模制備。然而，高質量的SiC納米線構筑單元成本較高，制備的SiC納米線氣凝膠是通過納米線之間的范德華力和靜電力等物理鍵結合組成，強度較低，拉伸性能較差，在快速熱沖擊或高溫下易遭受結構退化。
參考來源：中國粉體工業：碳化硅氣凝膠的制備及應用研究綜述
（中國粉體網編輯整理/平安）
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