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突破性進(jìn)展：高端材料碳化硅氣凝膠實現(xiàn)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(wǎng) 點擊量：10357
近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所與清華大學(xué)合作的一項重大科研成果引發(fā)了廣泛關(guān)注。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】 在當(dāng)今社會，科技進(jìn)步日新月異，新材料的研發(fā)成為了推動各行各業(yè)發(fā)展的關(guān)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(yīng)用。近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所與清華大學(xué)合作的一項重大科研成果引發(fā)了廣泛關(guān)注。李江濤研究員團(tuán)隊與董巖皓教授課題組通過創(chuàng)新性的硅粉-聚四氟乙烯反應(yīng)劑快速燃燒合成技術(shù)，成功實現(xiàn)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(chǎn)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(guī)模化生產(chǎn)和廣泛應(yīng)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(yōu)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(huán)保、能源、生物醫(yī)藥等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)的碳化硅氣凝膠制備方法普遍存在工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長和制造成本高等問題，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。
針對這一瓶頸，研究團(tuán)隊利用硅粉與聚四氟乙烯反應(yīng)劑之間的快速燃燒合成反應(yīng)，實現(xiàn)了碳化硅氣凝膠的高效制備。實驗結(jié)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(chǎn)速度比現(xiàn)有技術(shù)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(yīng)劑粉末在合成過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，其作為反應(yīng)促進(jìn)劑和氣化劑的雙重作用，不僅促進(jìn)了硅/碳弱放熱反應(yīng)體系的燃燒合成，還實現(xiàn)了對產(chǎn)物微納尺度微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控。反應(yīng)一經(jīng)點燃，便迅速達(dá)到高峰壓力和高溫，待反應(yīng)冷卻后，體積膨脹比高達(dá)1076%，展現(xiàn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)，使得材料在40%應(yīng)變條件下能夠承受高達(dá)100次的循環(huán)加載而不發(fā)生破壞，展現(xiàn)出良好的抗疲勞性能。此外，碳化硅氣凝膠高達(dá)99.6%的孔隙率以及全陶瓷組分，賦予其優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性和在寬溫區(qū)范圍內(nèi)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(xiàn)出超低熱導(dǎo)率，在高溫下則表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱性能，進(jìn)一步凸顯了其在熱管理應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用前景更加廣闊。
此項研究成果已發(fā)表于國際權(quán)威期刊《自然·通訊》，標(biāo)志著我國在高端材料碳化硅氣凝膠的制備技術(shù)上取得了重大突破。未來，隨著該技術(shù)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，碳化硅氣凝膠有望為眾多行業(yè)帶來革命性的變化，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
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