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华侨大学马琛/张宝杰等：微管/纳米线结构设计实现SiC气凝胶电磁强吸收和污染物强吸附精选

已有 6360 次阅读 2025-10-20 14:47 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Zhang B, Zhi W, Duan J, et al. Mechanically robust SiC aerogel with both electromagnetic absorption and pollutant adsorption via microtube/nanowire structure design. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221181

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221181

ResearchGate： Mechanically robust SiC aerogel with both electromagnetic absorption and pollutant adsorption via microtube/nanowire structure design

1、导读

SiC纤维气凝胶常面临单孔结构、力学性能差及成本高的局限。本文通过原位转化策略，利用木棉纤维制备了分级多孔SiC微管/纳米线复合气凝胶。该工艺在一步法中同步实现SiC微管构建与纳米线自生长，显著简化制备流程并借助结构协同效应提升材料性能。所得气凝胶具备优异电磁波吸收（最小反射损耗-56.39 dB）、高抗压强度（2.85 MPa）、良好隔热性（0.021 W·m⁻¹·K⁻¹）及强吸附能力（自重45–67倍）等综合性能，为开发高性能SiC气凝胶提供了新途径。

2、研究背景

碳化硅（SiC）纤维气凝胶作为新一代超轻多功能材料，在热防护、电磁波吸收和环境修复等领域展现出广阔前景。然而，现有研究仍面临两大挑战：一是传统制备方法多依赖于单一尺度的纤维组装，导致孔隙结构单一，难以实现跨尺度协同，制约性能提升；二是当前研究多聚焦于柔性应用，面向高温承载场景的刚性高强度气凝胶开发仍显不足。因此，开发兼具多级孔结构和高机械强度的SiC气凝胶具有重要意义。

构建多级孔结构虽被证实是提升性能的有效路径，但传统制备工艺常因原料成本高、步骤复杂而限制其规模化应用。生物质衍生材料凭借其可再生、成本低和结构多样等优势成为理想替代选择。特别是木棉等一维生物质纤维，具有中空形态、高长径比和良好可织构性，为构建分级孔结构提供了独特优势。本研究以木棉纤维为生物质模板，通过高温碳化、冷冻成型与碳热还原的协同工艺，成功制备出具有分级多孔结构的SiC微管/纳米线复合气凝胶。系统研究了木棉纤维向SiC微管的转化机制，揭示了多级孔结构与性能之间的构效关系，为开发高性能、经济可行的SiC气凝胶提供了新的设计策略。

3、文章亮点

1、以天然木棉纤维为模板，通过原位转化策略一步构建SiC微管/纳米线复合气凝胶，工艺简单、原料可再生，显著降低制备成本，实现可控多级孔构造。

2、气凝胶展现出2.85 MPa的高抗压强度，突破传统气凝胶应用于柔性使用场景局限，适用于高温刚性承载场景，拓展了SiC气凝胶的应用范围。

3、集优异电磁吸收（RL_min=-56.39 dB，EAB=6.04 GHz）、高效隔热（0.021 W·m⁻¹·K⁻¹）与强吸附能力（自重45–67倍）于一体，展现出卓越的综合性能。

4、研究结果及结论

图1通过SEM、TEM和EDS等表征手段，系统展示了从碳微管（C-MTA）到碳/碳化硅复合微管（C/SiC-MTNA）再到纯碳化硅微管/纳米线复合气凝胶（SiC-MTNA）的微观结构演变过程。结果表明，随着热解温度升高，碳微管逐渐转化为SiC微管，并伴随SiC纳米线的原位生长，形成了具有多级孔结构的复合气凝胶。

图1 不同放大倍率下C-MTA的SEM图像（a, b）。(c, d) C/SiC-MTA的SEM图像。SiC-MTNA的SEM图像（e, f）及能谱谱线（g, h）。(i) SiC微管的高倍SEM图像。(j–l) SiC微管元素分布图（j：SiC，k：Si，l：C）。(n) SiC管壁与纳米线及(p) SiC纳米线的TEM图像。(m) SiC管壁与(o) SiC纳米线的HRTEM图像。

图2通过力学性能测试和热稳定性分析，展示了SiC-MTNA优异的机械强度、耐高温性和宽温域稳定性。该气凝胶具有优异的压缩强度（2.85 MPa）和超轻特性，可承受远超自重的负载。同时，材料在极端高温（1100 °C）和低温（液氮）环境下均能保持结构完整性，表现出宽温域适用性，为其在高温隔热与极端环境下的应用提供了保障。并阐明了其在高负载和极端温度环境下保持结构完整性的能力，揭示了纳米线桥接效应对增强材料力学性能的关键作用。

图2 SiC-MTNA的光学照片：(a)承载测试与(b)液氮环境下的耐低温测试。(c)在空气与氩气气氛中的热重分析。(d)不同温度热解气凝胶的应力-应变曲线。(e)SiC-MTNA的传力机理示意图。

图3重点研究了表面改性后SiC-MTNA的疏水性能和污染物吸附能力。改性后的气凝胶表现出超疏水性（接触角135.1°）和优异的油水分离能力，对多种有机溶剂具有高吸附容量（45–67倍自重），并具有良好的循环稳定性，展示了其在环境污染治理方面的潜力。

图3 (a) SiC-MTNA的疏水性及接触角测试结果。(b) 经苏丹III染色的乙醇在SiC-MTNA上的吸附燃烧过程及其对乙醇的循环吸附测试(c)。(d) 使用SiC-MTNA脱除漂浮于水面的苏丹III染色硅油过程。(e) SiC-MTNA对不同有机液体的吸附能力。(f) 微管与纳米线对油滴的吸附机理示意图。

图4系统评价了SiC-MTNA的隔热性能，包括其在不同温度下的热导率变化、实际隔热效果演示及红外热成像分析。该材料在室温下具有极低的热导率（0.021 W·m⁻¹·K⁻¹），在1000 °C高温下仍保持较低值（0.052 W·m⁻¹·K⁻¹）。揭示了材料在高温环境下仍保持优异隔热能力的原因，主要归因于其多尺度孔结构对热传导、对流和辐射的有效抑制。

图4 (a) 不同温度下SiC-MTNA的热导率。(b) 置于石棉网或SiC-MTNA上经酒精灯加热的花朵光学图像。(c) 丁烷喷枪加热下SiC-MTNA正反两面的红外图像。(d) SiC-MTNA传热示意图。

图5全面分析了三种不同热解温度下气凝胶的电磁波吸收性能，通过介电参数、Cole-Cole曲线、衰减常数和反射损耗等数据，揭示了SiC-MTNA在宽频段内优异的吸波能力。SiC-MTNA表现出最优的介电损耗、衰减常数与阻抗匹配特性，在2.0 mm厚度下实现最小反射损耗（–56.39 dB）和最大有效吸收带宽（6.04 GHz），其优异的吸波性能归因于丰富的异质界面、缺陷极化和多孔结构带来的多重损耗机制。

图5 (a)不同热解温度下MTA的实部介电常数与(b)虚部介电常数。(c)SiC-MTNA的cole-cole尔曲线。(d)介电损耗角正切、(e)衰减常数及(f-i)不同热解温度下MTA的反射损耗曲线。(j)2.0 mm厚度MTA在不同热解温度下的反射损耗曲线与(k)阻抗匹配特性。(l)本工作与文献报道的SiC基材料电磁波吸收性能对比。

综上，本研究以天然木棉纤维为结构模板，通过高温碳化、冷冻组装、冷冻干燥及碳热还原等一系列工艺，成功制备出具有高孔隙结构的SiC微管/纳米线气凝胶。该分级多孔结构由相互连接的SiC微管和纳米线构成，可实现多尺度协同增强效应。这种独特形貌使气凝胶具备优异的电磁波吸收性能，在14.7 GHz处获得-56.39 dB的最小反射损耗，有效吸收带宽达6.04 GHz。同时该材料还展现出2.85 MPa的优异机械强度和卓越隔热性能，在25 °C时导热系数为0.021 W·m^-1·K^-1，即使在1000 °C高温下仍保持0.052 W·m^-1·K^-1的低导热值。经过表面改性后，气凝胶对有机溶剂的吸附容量可达自重的45-67倍。本研究为设计多功能、经济高效的碳化硅基纳米纤维气凝胶提供了新思路。

5、作者及研究团队简介

马琛（通讯作者），华侨大学副教授，硕士生导师。2020年北京理工大学博士毕业，期间在美国凯斯西储大学联合培养。主要从事高温高能热防护材料设计、制备及防护机理研究。主持福建省优秀青年基金、XX预研教育部联合基金、国自然青年基金等，在J. Adv. Ceram.、Carbon、Chem. Eng. J.等期刊发表学术论文20余篇，获授权发明专利10余项。获福建省高层次人才、《陶瓷学报》优秀青年编委、中国复合材料学会优秀博士学位论文提名奖等荣誉称号。

邮箱：chenma@hqu.edu.cn

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。