碳化硅氣凝膠——輕如鴻毛，固若金湯

兼具可壓縮回彈性及高溫穩定性的超輕型陶瓷氣凝膠在許多極端環境中具有良好的應用前景。然而，傳統的陶瓷氣凝膠通常由氧化物陶瓷納米粒子構成，脆性大，且在高溫下會發生體積收縮，因此其實際應用一直受到限制。碳化硅（SiC）納米線作為一種一維（1D）納米材料，具有良好的彈性、耐高溫性和化學穩定性，在可壓縮陶瓷納米線氣凝膠（NWA）上有很好的應用前景。西安交大的研究人員制備了一種高孔隙率的三維（3D）SiC網絡，該NWA由大量直徑為20-50納米，長度為數十至數百微米的3D-SiC納米線交織組裝而成。 SiC NWA擁有超低密度（？5 mg cm-3），優異的壓縮回彈性（> 70％）和耐疲勞性，耐火性，氧化性和高溫性電阻和絕熱性能（N2中室溫下為0.026 Wm-1 K-1）。并且，SiC NWAs對高粘度有機溶劑表現很高的吸附能力（130-237g g-1）和吸附選擇性。這種材料的成功制造為設計可壓縮和多功能陶瓷NWA提供了極具潛力的思路與方法。該成果發表在zui新一期《ACS Nano》上。
 
1 、制備與表征

 
 ▲圖1. SiCNWA的制造工藝和宏觀和微觀結構。

 
（a）SiC NWA生長的示意圖。
 
 粉紅色箭頭表示氣流路徑。綠色內層是SiC NWA生長的位置。一氧化硅氣體被標記為黃色，CO氣體呈藍色。硅氧烷干凝膠標記為棕色。
 
 步驟1：石墨基底上的成核和生長。第二步：成核和生長在預先存在的納米線的表面上并逐層組裝成高度多孔的3D網絡。步驟3：從SiC分離出NWA石墨。
 
（b）一塊面積超過150平方厘米的SiC NWA的數碼照片。
 
（c）高孔隙率的3D納米線結構的SiC NWAs（插圖為納米線的EDSc）。
 
（d）SiC納米線的TEM圖像和SAED圖案（插圖（d））。
 
（e）中（d）中的SiC納米線的對應HRTEM圖像。
 
（f）納米線束的SEM圖像，（g）TEM圖像（插圖為HRTEM圖像）。
 
（h）納米線分支的SEM圖像，（i）TEM圖像（插圖HRTEM圖像）。
 
 2、 力學性能

 


 ▲圖2 SiCNWA的宏觀形貌和力學性能。

 
（a）一片SiC NWA站在蒲公英上。
 
（b）SiC NWA的高柔軟度。
 
（c）SiC NWA的高可壓縮回彈 性。
 
（d）設定應變為20％，40％，60％和76％的SiC NWA的σ-ε曲線。
 
（e）設定ε= 60％時的一千次加卸載疲勞循環。
 
（f）楊氏模量，zui大應力和能量損失的歷史系數作為壓縮測試周期的函數。
 
 3、熱與化學穩定性

 


▲圖3 SiC NWA的熱和化學穩定性測試。

 
（a）SiC NWA的耐火性能。
 
（b）SiC NWA的TGA曲線在空中。
 
（c）SiC納米線在900℃下氧化1小時后的HRTEM圖像。
 
（d）SiC NWA和900-NWA的宏觀圖像。
 
（e）中SEM圖像和EDS（插圖（e））900-NWA。
 
（f）在設定ε= 900％NWA的60％時的100次加載-卸載疲勞循環。
 
（G）SiC NWA和1500-NWA的宏觀圖像。
 
（h）1500-NWA的SEM圖像。
 
（i）在a處有一百次加卸載疲勞循環設定ε= 60％的1500-NWA。