香港城市大學(xué)呂堅院士團隊最新發(fā)表在Small期刊上的題目為 “3D-Printed Mullite-Reinforced SiC-based Aerogel Composites” 的文章，制備出了具有優(yōu)異力學(xué)性能且可以實現(xiàn)精確熱管理功能的碳化硅氣凝膠復(fù)合材料。具有這種結(jié)構(gòu)的氣凝膠復(fù)合材料可用于汽車電池或精密器件（如集成電路、輸入/輸出芯片）的隔熱保護，并且有望應(yīng)用在電磁波吸收，污染吸附，催化劑載體，電子或燃燒設(shè)備和儲能裝置的高溫過濾器等領(lǐng)域。

▲論文鏈接

https://doi.org/10.1002/smll.202401742

/ 研究亮點

1.解決了氣凝膠復(fù)合材料壓縮強度低，楊氏模量小的問題：合理調(diào)節(jié)3D打印墨水成分，添加Al2O3，有目的地提升力學(xué)性能。樣品的壓縮強度可達1.365 MPa, 楊氏模量21.8 MPa，高于同類材料一個數(shù)量級，能夠有效應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)中。

2.分層多孔結(jié)構(gòu)賦予樣品更為優(yōu)越的隔熱性能：3D打印設(shè)計的毫米級孔和燒結(jié)過程中原位生成的介孔，使材料具備高孔隙率（90%）、低密度（0.26g/cm3）及超低導(dǎo)熱系數(shù)（0.021W?K/m）。

3.此碳化硅氣凝膠復(fù)合材料的制備方法簡單且設(shè)計自由度高。3D打印可以實現(xiàn)成分和結(jié)構(gòu)的高設(shè)計性，后續(xù)燒結(jié)過程中碳化硅納米線原位生長又避免了單獨制備氣凝膠的繁瑣步驟。

/ 研究背景

熱管理材料是綠色能源時代中幫助提高能源效率，發(fā)掘器件最佳使用性能的關(guān)鍵一環(huán)。碳化硅氣凝膠材料不僅具有優(yōu)良隔熱性能，而且相較于其他成分的氣凝膠具有耐腐蝕，抗高溫，不易氧化的特點，是一種安全穩(wěn)定的環(huán)保材料。但氣凝膠質(zhì)地蓬松，所以其大規(guī)模應(yīng)用受制于其強度的缺乏。構(gòu)建碳化硅氣凝膠復(fù)合材料不僅可以確保一定隔熱性能，也可以使力學(xué)性能得到保證。

/ 內(nèi)容簡介

本工作提出了一種制備3D打印莫來石增強碳化硅氣凝膠復(fù)合材料（Mullite-Reinforced SiC-based Aerogel Composites, MR-SiC ACs）的方法。首先，配制適合直接墨水書寫（DIW）的漿料，實現(xiàn)預(yù)制件生產(chǎn)。后續(xù)通過兩步燒結(jié)過程實現(xiàn)碳化硅復(fù)合材料的制備。3D打印的結(jié)構(gòu)不僅提供了后續(xù)燒結(jié)過程中原位SiC納米線生長所需的合適的空間，而且可以作為支撐骨架提升壓縮強度。MR-SiC ACs材料的隔熱性能受益于多孔的打印結(jié)構(gòu)以及大量SiC納米線交錯形成的介孔。同時燒結(jié)后的骨架表面形成的Si-O-Al非晶層也在一定程度上阻斷了熱的傳播。所以，MR-SiC ACs的設(shè)計理念滿足了如今綠色能源時代對熱管理電子產(chǎn)品的需求：輕質(zhì)、節(jié)省空間、足夠的力學(xué)強度且具有優(yōu)異隔熱性能。此外，3D打印與原位生長相結(jié)合的手段有望簡化現(xiàn)有氣凝膠復(fù)合材料的制備，挖掘更多應(yīng)用。

/ 圖文解讀

圖1. Al2O3/Cf/SiO2墨水性能演示。Al2O3/Cf/SiO2油墨的流變行為：(a) 儲能模量 (G’) 和損耗模量 (G”) 作為剪切應(yīng)力的函數(shù)；(b) 粘度作為剪切速率的函數(shù)。(c)-(h) 具有復(fù)雜形狀的打印樣品展示。

圖2. MR-SiC AC的DIW過程。(a) 制備3D 打印MR-SiC AC 的流程圖。(b) 不同印刷孔形狀樣品燒結(jié)前后的照片。第一列顯示使用 Cf/SiO2墨水打印的樣品，另外兩列顯示使用 Al2O3/Cf/SiO2墨水打印的樣品。(c) 樣品組織的宏觀分布。(d) 密度為 0.15 g/cm3的3D打印MR-SiC AC樣品平衡于一片葉子上的照片。

圖3. MR-SiC AC的形態(tài)結(jié)構(gòu)表征。(a) 燒結(jié)后打印骨架和孔的SEM圖像。(b) 納米線尖端。(c) SEM圖像顯示納米線具有粗糙的表面。(d) SiC AC (SiC aerogel composite) 和MR-SiC AC中SiC納米線的平均直徑分布。(e) SiC AC和MR-SiC AC的XRD結(jié)果。MR-SiC AC上單根SiC納米線的TEM表征：(f)、(g) 明場像和相應(yīng)的TEM-EDS結(jié)果；(h) TEM圖像和對應(yīng)的電子衍射圖（插圖）；(i) 對應(yīng)的HRTEM圖像。

圖4. SiC ACs和MR-SiC ACs的熱性能。(a) 表明熱氧化穩(wěn)定性的 TGA 曲線。左上方插圖為影片截圖，顯示了樣品的耐火特性。下方的插圖顯示了納米線在1200 °C燒結(jié)30分鐘前后的形貌變化。(b) 熱導(dǎo)率與隔熱材料最高工作溫度的關(guān)系。(c) 一朵鮮花放在燃燒酒精火焰的石棉網(wǎng)上，在沒有（c1）和有MR-SiC AC（c2）的情況下，其形態(tài)隨時間發(fā)生變化的照片。

圖5. SiC ACs和MR-SiC ACs的力學(xué)性能。(a) SiC AC和MR-SiC AC在壓縮實驗中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) 熱絕緣材料的楊氏模量與密度的關(guān)系。(c) SEM圖像顯示納米線成束集結(jié)的A區(qū)和重疊交叉的B區(qū)。(d) 熱絕緣材料的熱導(dǎo)率與密度和強度的三維圖。

此工作以“3D-Printed Mullite-Reinforced SiC-based Aerogel Composites” 發(fā)表在Small。