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突破性進展：高端材料碳化硅氣凝膠實現1升5元閃速低成本合成
2024年08月29日 08:37:07
來源：化工儀器網 點擊量：10413
近日，中國科學院理化技術研究所與清華大學合作的一項重大科研成果引發了廣泛關注。
【化工儀器網 項目成果】 在當今社會，科技進步日新月異，新材料的研發成為了推動各行各業發展的關鍵力量。然而，高端材料往往伴隨著高昂的成本，這在一定程度上限制了其廣泛應用。近日，中國科學院理化技術研究所與清華大學合作的一項重大科研成果引發了廣泛關注。李江濤研究員團隊與董巖皓教授課題組通過創新性的硅粉-聚四氟乙烯反應劑快速燃燒合成技術，成功實現了大尺寸碳化硅(SiC)氣凝膠的閃速低成本合成。這一成果不僅大幅縮短了生產周期，還顯著降低了制造成本，使得每升碳化硅氣凝膠的制造成本僅需5元，為碳化硅氣凝膠的規模化生產和廣泛應用開辟了新途徑。
碳化硅氣凝膠作為一種輕量化材料，以其優異的隔熱性能、壓縮回彈性、耐火性和抗氧化性，在航空航天、建筑、環保、能源、生物醫藥等多個領域展現出廣闊的應用前景。然而，傳統的碳化硅氣凝膠制備方法普遍存在工藝復雜、生產周期長和制造成本高等問題，限制了其大規模應用。
針對這一瓶頸，研究團隊利用硅粉與聚四氟乙烯反應劑之間的快速燃燒合成反應，實現了碳化硅氣凝膠的高效制備。實驗結果表明，在實驗室條件下，該工藝每分鐘可以制備出16升碳化硅氣凝膠，生產速度比現有技術提升了10倍。同時，該工藝的合成過程具有近零能耗的特點，非常適合大尺寸碳化硅氣凝膠的低碳、低成本制備。
聚四氟乙烯反應劑粉末在合成過程中發揮了關鍵作用，其作為反應促進劑和氣化劑的雙重作用，不僅促進了硅/碳弱放熱反應體系的燃燒合成，還實現了對產物微納尺度微結構的精準調控。反應一經點燃，便迅速達到高峰壓力和高溫，待反應冷卻后，體積膨脹比高達1076%，展現了極高的合成效率。
通過這種燃燒合成策略制備的碳化硅氣凝膠，具有均勻的內部結構、超輕量化和自支撐的特性。它由眾多碳化硅納米線相互交織和堆疊而成，形成了獨特的層狀結構，使得材料在40%應變條件下能夠承受高達100次的循環加載而不發生破壞，展現出良好的抗疲勞性能。此外，碳化硅氣凝膠高達99.6%的孔隙率以及全陶瓷組分，賦予其優異的溫度穩定性和在寬溫區范圍內的可壓縮性。
值得注意的是，碳化硅氣凝膠在室溫條件下展現出超低熱導率，在高溫下則表現出優異的隔熱性能，進一步凸顯了其在熱管理應用方面的巨大潛力。這些卓越的性能使得碳化硅氣凝膠在多個領域的應用前景更加廣闊。
此項研究成果已發表于國際權威期刊《自然·通訊》，標志著我國在高端材料碳化硅氣凝膠的制備技術上取得了重大突破。未來，隨著該技術的進一步推廣和應用，碳化硅氣凝膠有望為眾多行業帶來革命性的變化，推動相關產業的快速發展。
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