香港城市大學呂堅院士團隊Small: 3D打印莫來石增強的碳化硅氣凝膠復合材料

香港城市大學呂堅院士團隊最新發表在Small期刊上的題目為 “3D-Printed Mullite-Reinforced SiC-Based Aerogel Composites”?的文章，制備出了具有優異力學性能且可以實現精確熱管理功能的碳化硅氣凝膠復合材料。具有這種結構的氣凝膠復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，并且有望應用在電磁波吸收，污染吸附，催化劑載體，電子或燃燒設備和儲能裝置的高溫過濾器等領域。

【本文亮點】

1、解決了氣凝膠復合材料壓縮強度低，楊氏模量小的問題：合理調節3D打印墨水成分，添加Al₂O₃，有目的地提升力學性能。樣品的壓縮強度可達365 MPa, 楊氏模量21.8 MPa，高于同類材料一個數量級，能夠有效應用于復雜結構中。

2、分層多孔結構賦予樣品更為優越的隔熱性能：3D打印設計的毫米級孔和燒結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）及超低導熱系數（021W?K/m）。

3、此碳化硅氣凝膠復合材料的制備方法簡單且設計自由度高。3D打印可以實現成分和結構的高設計性，后續燒結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。

【背景】

熱管理材料是綠色能源時代中幫助提高能源效率，發掘器件最佳使用性能的關鍵一環。碳化硅氣凝膠材料不僅具有優良隔熱性能，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，是一種安全穩定的環保材料。但氣凝膠質地蓬松，所以其大規模應用受制于其強度的缺乏。構建碳化硅氣凝膠復合材料不僅可以確保一定隔熱性能，也可以使力學性能得到保證。

【內容簡介】

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，實現預制件生產。后續通過兩步燒結過程實現碳化硅復合材料的制備。3D打印的結構不僅提供了后續燒結過程中原位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構以及大量SiC納米線交錯形成的介孔。同時燒結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的設計理念滿足了如今綠色能源時代對熱管理電子產品的需求：輕質、節省空間、足夠的力學強度且具有優異隔熱性能。此外，3D打印與原位生長相結合的手段有望簡化現有氣凝膠復合材料的制備，挖掘更多應用。

【圖文解讀】

圖1. Al₂O₃/C_f/SiO₂墨水性能演示。Al₂O₃/C_f/SiO₂油墨的流變行為：(a)?儲能模量 (G') 和損耗模量 (G'') 作為剪切應力的函數；(b) 粘度作為剪切速率的函數。(c)-(h) 具有復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前后的照片。第一列顯示使用 C_f/SiO₂墨水打印的樣品，另外兩列顯示使用 Al₂O₃/C_f/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的形態結構表征。(a)?燒結后打印骨架和孔的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結果。MR-SiC AC上單根SiC納米線的TEM表征：(f)、(g) 明場像和相應的TEM-EDS結果；(h) TEM圖像和對應的電子衍射圖（插圖）；(i) 對應的HRTEM圖像。

圖4. SiC ACs和MR-SiC ACs的熱性能。(a) 表明熱氧化穩定性的 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30分鐘前后的形貌變化。(b) 熱導率與隔熱材料最高工作溫度的關系。(c) 一朵鮮花放在燃燒酒精火焰的石棉網上，在沒有（c₁）和有MR-SiC AC（c₂）的情況下，其形態隨時間發生變化的照片。

圖5.?SiC ACs和MR-SiC ACs的力學性能。(a) SiC AC和MR-SiC AC在壓縮實驗中的應力-應變曲線。(b) 熱絕緣材料的楊氏模量與密度的關系。(c) SEM圖像顯示納米線成束集結的A區和重疊交叉的B區。(d)?熱絕緣材料的熱導率與密度和強度的三維圖。

此工作以“3D-Printed Mullite-Reinforced SiC-Based Aerogel Composites” 發表在Small。通訊作者是香港城市大學呂堅院士。第一作者是香港城市大學博士生苗沐霖，殷建安博士為共同第一作者。

文章信息：

https://doi.org/

【作者介紹】

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呂堅院士（通訊作者）：香港城市大學工學院院長，機械工程學院講座教授，先進結構材料研究中心主任，香港工程科學院院士，法國國家技術科學院士，國家貴金屬材料工程研究中心香港分社理事、先進結構材料中心主任。2006年及2017年曾兩次獲得由法國總統親自任命的“法國政府頒授法國國家榮譽騎士勛章”及“法國國家榮譽軍團騎士勛章”，2018年獲得第十二屆光華工程科技獎。呂堅教授的研究方向涉及先進納米結構材料的制備和力學性能，3D打印先進材料與新能源與低碳高效能源利用（太陽能海水淡化，電解水制氫），先進納米與非晶結構材料制備與力學等。已取得34項歐、美、中專利授權，在本領域頂尖雜志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Science Advances、Nature Communications、PRL、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Science、Angew. Chem.等專業雜志上發表論文480余篇，總引用超過43000次。

個人主頁：

https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

苗沐霖博士生（第一作者）：本科畢業于中南大學粉末冶金研究院，目前是香港城市大學材料科學與工程學院2021級在讀博士生。主要從事碳化硅功能陶瓷材料及3D打印技術等方面的相關研究。

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殷建安博士（共同第一作者）：香港城市大學博士，香港材料研究學會終身會員。主要從事碳基功能材料、陶瓷材料及3D打印技術等相關研究。發表SCI論文10余篇；授權國家發明專利4項，美國發明專利1項。