碳化硅气凝胶——轻如鸿毛，固若金汤

兼具可压缩回弹性及高温稳定性的超轻型陶瓷气凝胶在许多极端环境中具有良好的应用前景。然而，传统的陶瓷气凝胶通常由氧化物陶瓷纳米粒子构成，脆性大，且在高温下会发生体积收缩，因此其实际应用一直受到限制。碳化硅（SiC）纳米线作为一种一维（1D）纳米材料，具有良好的弹性、耐高温性和化学稳定性，在可压缩陶瓷纳米线气凝胶（NWA）上有很好的应用前景。西安交大的研究人员制备了一种高孔隙率的三维（3D）SiC网络，该NWA由大量直径为20-50纳米，长度为数十至数百微米的3D-SiC纳米线交织组装而成。 SiC NWA拥有超低密度（？5 mg cm-3），优异的压缩回弹性（> 70％）和耐疲劳性，耐火性，氧化性和高温性电阻和绝热性能（N2中室温下为0.026 Wm-1 K-1）。并且，SiC NWAs对高粘度有机溶剂表现很高的吸附能力（130-237g g-1）和吸附选择性。这种材料的成功制造为设计可压缩和多功能陶瓷NWA提供了极具潜力的思路与方法。该成果发表在zui新一期《ACS Nano》上。
 
1 、制备与表征

 
 ▲图1. SiCNWA的制造工艺和宏观和微观结构。

 
（a）SiC NWA生长的示意图。
 
 粉红色箭头表示气流路径。绿色内层是SiC NWA生长的位置。一氧化硅气体被标记为黄色，CO气体呈蓝色。硅氧烷干凝胶标记为棕色。
 
 步骤1：石墨基底上的成核和生长。第二步：成核和生长在预先存在的纳米线的表面上并逐层组装成高度多孔的3D网络。步骤3：从SiC分离出NWA石墨。
 
（b）一块面积超过150平方厘米的SiC NWA的数码照片。
 
（c）高孔隙率的3D纳米线结构的SiC NWAs（插图为纳米线的EDSc）。
 
（d）SiC纳米线的TEM图像和SAED图案（插图（d））。
 
（e）中（d）中的SiC纳米线的对应HRTEM图像。
 
（f）纳米线束的SEM图像，（g）TEM图像（插图为HRTEM图像）。
 
（h）纳米线分支的SEM图像，（i）TEM图像（插图HRTEM图像）。
 
 2、 力学性能

 


 ▲图2 SiCNWA的宏观形貌和力学性能。

 
（a）一片SiC NWA站在蒲公英上。
 
（b）SiC NWA的高柔软度。
 
（c）SiC NWA的高可压缩回弹 性。
 
（d）设定应变为20％，40％，60％和76％的SiC NWA的σ-ε曲线。
 
（e）设定ε= 60％时的一千次加卸载疲劳循环。
 
（f）杨氏模量，zui大应力和能量损失的历史系数作为压缩测试周期的函数。
 
 3、热与化学稳定性

 


▲图3 SiC NWA的热和化学稳定性测试。

 
（a）SiC NWA的耐火性能。
 
（b）SiC NWA的TGA曲线在空中。
 
（c）SiC纳米线在900℃下氧化1小时后的HRTEM图像。
 
（d）SiC NWA和900-NWA的宏观图像。
 
（e）中SEM图像和EDS（插图（e））900-NWA。
 
（f）在设定ε= 900％NWA的60％时的100次加载-卸载疲劳循环。
 
（G）SiC NWA和1500-NWA的宏观图像。
 
（h）1500-NWA的SEM图像。
 
（i）在a处有一百次加卸载疲劳循环设定ε= 60％的1500-NWA。