碳化硅作为典型的非氧化物高技术陶瓷，其陶瓷产业的发展高度依赖高端碳化硅粉体原料与产品的研发及规模生产。其中，碳化硅气凝胶作为优异的高温热防护材料，以高熔点、超轻密度、极低热导率及卓越的热机械性能，备受全球科研人员瞩目。目前，已有的碳化硅气凝胶合成技术涵盖溶胶凝胶法、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。借助这些技术，研究人员能够成功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出色性能的碳化硅气凝胶。然而，这些方法普遍存在工艺复杂、生产周期长以及制造成本高等问题。与成熟的超临界干燥工艺氧化硅气凝胶相比，碳化硅气凝胶在性价比方面目前稍显不足，这在一定程度上制约了其发展与应用。快速、低成本、低能耗地制备大尺寸碳化硅气凝胶，成为该领域面临的关键瓶颈问题。在此背景下，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共同提出一种全新的碳化硅气凝胶自蔓延制备方法。该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，成功实现了升量级碳化硅气凝胶的闪速合成。此项研究在实验室条件下充分展示了数秒内制备大尺寸碳化硅气凝胶的可行性，生产速率高达约16升/分钟，极大地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显著特征，非常适合碳化硅气凝胶的大批量、低碳、低成本制备。对比测算结果表明，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，估算成本仅为5元/升，制造成本大幅降低。这一研究在合成技术上的重大突破，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有别于现有超临界干燥工艺的全新途径。自蔓延高温合成的碳化硅气凝胶具备卓越的热力性能。大批量合成的碳化硅气凝胶样品拥有99.6%的超高孔隙率，密度低至12mg/cm³，室温热导率可降至0.027W/(m·K)。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摄氏度至1100摄氏度的宽温区范围内均呈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出现明显损坏，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，在惰性气氛下可达1700摄氏度，在极端条件热防护领域具有广阔的应用前景。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”为题，发表在《自然·通讯》杂志上。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。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51278-w。