兰州理工大学团队在国际材料领域顶级期刊《Small》发表题为《SiO2/SiC Composite Aerogels: Controlled Fabrication, Structure–Property Relationships, and Multifunctional Applications》综述论文。该综述系统梳理 SiO₂/SiC 复合气凝胶的主流制备策略、多尺度结构与宏观性能的关联机制，全面总结其在高温隔热、电磁吸收、催化载体等领域的多功能应用进展，精准剖析当前产业化瓶颈并指明未来发展方向，为高性能纳米多孔陶瓷气凝胶的理性设计与工程化应用提供系统性理论支撑与技术指引。
研究背景
气凝胶是一类具备超低密度、超高孔隙率与极低热导率的纳米多孔材料，自问世以来便在隔热、催化、吸附、能源等领域展现出不可替代的应用价值。SiO₂气凝胶作为研究最成熟的气凝胶体系，凭借优异的常温隔热性能，已广泛应用于建筑节能、低温储运等场景，但其固有脆性大、高温下易烧结坍塌、亲水性导致结构降解等固有缺陷，严重限制其在航空航天、工业高温窑炉等极端环境下的应用。
SiC 陶瓷兼具超高硬度、优异高温稳定性、抗氧化性与介电损耗特性，能够有效弥补 SiO₂气凝胶的性能短板。将 SiC 与 SiO₂气凝胶复合，可协同整合 SiO₂的轻质隔热优势与 SiC 的强韧、耐高温、电磁损耗特性，构筑出兼具力学稳健性、高温隔热性与多功能特性的新型纳米多孔材料。目前 SiO₂/SiC 复合气凝胶的制备方法多样、结构调控路径复杂，结构与性能的内在关联机制尚未形成系统认知，亟需开展全面综述与凝练总结，为该类材料的定向设计与高效应用奠定理论基础。
研究结果
1. 多元化可控制备策略
SiO₂/SiC 复合气凝胶的制备技术是实现结构精准调控的核心，主流方法涵盖溶胶 - 凝胶、碳热还原、冷冻浇注、化学气相沉积、静电纺丝五大体系。溶胶 - 凝胶法以有机硅烷或水玻璃为硅源，通过水解缩合构建 SiO₂凝胶网络，同步实现 SiC 颗粒、纳米线的均匀掺杂，工艺温和且组分可控性强，是实验室制备的主流选择。碳热还原法以碳源与硅源为前驱体，通过高温还原反应原位生成 SiC 相，可实现 SiC 在 SiO₂基体中的均匀分布与界面键合，具备规模化制备潜力。冷冻浇注法借助冰晶体模板诱导形成各向异性孔道结构，赋予材料定向力学强度与传热特性，适用于定制化功能器件制备。化学气相沉积可在气凝胶骨架表面均匀沉积 SiC 涂层，强化界面结合力并提升高温稳定性，静电纺丝则可制备一维纳米纤维气凝胶，实现柔性、轻质与多功能的协同集成。不同制备方法的协同联用，可进一步实现从纳米尺度到宏观结构的多维度精准调控。
2. 多尺度构效关联机制
SiO₂/SiC 复合气凝胶的宏观性能由微观结构、相组成与界面特性共同决定。在热学性能上，材料的高孔隙率与纳米孔道限制气体分子的自由运动，抑制气相热传导，曲折连续的三维骨架延长固相热传递路径，而 SiC 的引入可有效抑制高温下 SiO₂的烧结收缩与红外辐射热传递，显著提升高温隔热稳定性。力学性能层面，SiC 与 SiO₂界面形成 Si-O-C 化学键合与物理互锁效应，有效分散外部应力，双网络互穿结构进一步提升材料的压缩强度与弹性恢复能力，突破纯 SiO₂气凝胶脆性易裂的瓶颈。电磁吸收性能方面，SiC 的介电损耗特性、多孔结构的多重反射散射与异质界面的极化效应协同作用，通过调控 SiC 含量、微观形貌与界面结构，可实现阻抗匹配与电磁损耗的优化，获得宽频、高效的电磁吸收效果。
3. 全场景多功能应用
依托独特的结构与性能优势，SiO₂/SiC 复合气凝胶实现多领域多功能应用落地。在高温隔热领域，材料可在 1200℃以上极端环境下保持结构稳定，热导率维持在超低水平，成为航空航天热防护、工业高温设备隔热、新能源电池热管理的理想材料。电磁吸收与屏蔽领域，通过组分与结构设计，材料实现轻量化、宽频带、强吸收的电磁防护效果，适用于电子设备抗干扰、军事隐身等场景。作为催化载体，SiC 的高温稳定性与高比表面积为金属活性组分提供稳定负载界面，强化催化活性与循环寿命，适用于高温催化、电解水制氢等严苛催化体系。此外，材料在油水分离吸附、吸声降噪、柔性热管理器件等领域同样展现出广阔的应用前景。
图文鉴赏
研究结论
本综述系统构建了 SiO₂/SiC 复合气凝胶 “制备方法 - 微观结构 - 宏观性能 - 应用场景” 的全链条理论框架，明确了不同制备策略的调控机制、多尺度构效关联规律与多功能应用边界，全面展现了该类材料突破单一气凝胶性能局限的独特优势。当前 SiO₂/SiC 复合气凝胶仍面临制备成本偏高、超临界干燥等工艺限制规模化生产、极端环境下长期稳定性待验证等核心挑战。未来研究应聚焦三大方向：一是开发常压干燥、生物质前驱体利用等低成本绿色制备技术，推动材料规模化量产；二是通过原子层沉积、界面原位生长等手段精准调控 SiO₂与 SiC 的界面结合，进一步强化性能协同；三是推动多功能集成设计，实现隔热、承重、电磁吸收、传感等功能一体化，拓展在航空航天、新能源、环保等关键领域的工程化应用。
原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.73948
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