许多高科技领域迫切需要兼具隔热和电磁屏蔽功能的柔性、轻质、耐高温气凝胶，碳基气凝胶虽然前景广阔，但由于制造工艺复杂、抗氧化性差（<500 ℃），并不令人满意，因此，设计具有加工优势和多种功能的材料仍然是一个巨大的挑战，从苦瓜独特的结构中获得灵感，本工作以低成本的聚硅氧烷和聚丙烯腈为前驱体，制备了一种仿生C-SiC纤维气凝胶，该纤维具有特殊的表面形貌，以及在包括离心纺丝和高温烧结工艺的制造过程之后的松散芯。SiC纤维气凝胶，超低密度3.9 mg cm−3，极低的热导率（9.12 mW m-1 K-1），以及特定电磁屏蔽效能（346 828.6 dB cm 2 g−1）。除了可压缩性和回弹性，气凝胶还表现出出色的耐酸碱腐蚀性、超高温稳定性（2000 ℃），该研究为制备高性能纤维气凝胶提供了一种可扩展的、具有成本效益的仿生策略，可作为下一代结构-功能集成材料，在航空航天热防护和相关高温环境中具有潜在的应用前景。
研究背景 随着极端环境下多重防护需求的不断增加，特别是在航空航天、装备、精密仪器等领域，迫切需要开发兼具隔热和电磁干扰（EMI）屏蔽性能的材料，特别是鉴于外层空间的恶劣条件，（-150 ° C至150 ° C）和强辐射，具有热控和电磁屏蔽功能的舱外航天服已成为航天员在空间站外活动时不可缺少的防护装备。此外，在含氧环境下，航空发动机排气喷嘴的传感元件的温度可高达1000 ℃，其中对有效的隔热和EMI屏蔽的综合要求也很关键，因此，开发既具有EMI屏蔽性能又具有隔热性能的柔性、轻质、低成本材料，特别是适应宽温度范围条件或高温有氧环境的材料，是航空航天领域的主要需求。
碳基气凝胶在宽温电磁屏蔽领域具有广阔的应用前景。Liang等人制造了MXene气凝胶/木材衍生的多孔碳复合材料，其提供了71.3 dB的最佳EMI屏蔽效能（SE），低密度为197 mg cm−3。Han等人制备了还原的氧化石墨烯-碳纳米管垂直边缘丰富的石墨烯（rGO-CNT-VG）气凝胶，表现出2460 mW m-1 K-1的热导率和57 dB的出色EMI屏蔽效能。Qiao等人，通过冷冻干燥法获得聚酰亚胺/碳纳米管CNT气凝胶，产生71 dB的EMI SE和6470 dB cm 2 g-1的比效率。Chen等人通过聚多巴胺纳米纤维的冷冻干燥和热处理制造了超轻、导电和多尺度芯-皮结构的碳气凝胶。在X波段，密度为3.11 mg cm-3，厚度为2 mm，其比屏蔽效能（SSE/t）值达到47910 dB cm 2 g-1。Ma等人通过三维骨架预制-渗透法制备了PG@PyC/AZ 91 D复合材料，在3 mm厚度下实现了76.70 dB的EMI屏蔽效能。Ghaffarkhah等人开发了Ti 3C 2 Tx/GO晶胶，实现了出色的EMI屏蔽效能（44.7-69.2 dB），比EMI屏蔽效能（33 000-50 000 dB cm 2 g−1），和3-7 mg cm−3的超低密度。因此，碳基气凝胶已经被开发用于电磁屏蔽。然而，不应忽视的是，目前的碳基气凝胶受到几个固有缺点的困扰，包括复杂的制备工艺、高生产成本和对大规模制造的阻碍[28，29]。更关键的是，它们固有地在含氧气氛（<500 ℃）中容易氧化，这严重限制了它们在高温有氧环境领域的实际应用。幸运的是，通过在碳基材料中引入SiC相可以有效地缓解这一缺点。其原理在于SiC具有优异的高温稳定性和抗氧化性。此外，离心纺丝技术为大规模生产和集成气凝胶成型提供了明显的优势。在仿生设计原理的指导下，使用低成本的原材料实现分级结构工程是高度可行的，从而赋予所得气凝胶以上级隔热和EMI屏蔽能力。
本文以廉价的聚硅氧烷和聚丙烯腈为前驱体，通过离心纺丝和高温烧结等工艺制备了类似苦瓜的C-SiC纤维气凝胶。在C-SiC纤维上构造孔隙以延长传热路径，同时利用纤维的疏松芯体降低热传导效率，共同实现了优异的隔热性能。此外，利用单根纤维表面的多孔散射和多根纤维三维网络形成的连续导电路径，通过电磁波的反射、吸收和多次散射，实现电磁屏蔽功能，同时设计了松芯的类苦瓜纤维，有效减轻重量，达到轻量化的目的，（3.9 mg cm-3）C-SiC纤维气凝胶表现出极低的热导率（9.12 mW m−1 K−1），以及出色的EMI屏蔽性能，最大电磁屏蔽效能（SE）为53.1 dB，SSE/t高达346 828.6 dB cm 2 g−1。重要的是，C-SiC纤维气凝胶还表现出优异综合性能，包括耐高温性能（2000 ℃ 1 h）、抗氧化性（1000 ℃）、耐酸碱腐蚀性（在1 M HCl或6 M NaOH中7天），和机械性能（ε = 60%，85次循环）。本工作中C-SiC纤维气凝胶的加工优势和协同结构-功能特性不仅为优化仿生材料的性能提供了新的范例，而且还提供了一种低成本和可扩展的制造原型，用于在极端环境中有效隔热和电磁干扰屏蔽。
图1 C-SiC纤维气凝胶的制备。（a）C-SiC纤维气凝胶的制备过程示意图。（B）单个纤维表面的SEM图像。（c）单个纤维横截面的SEM图像。（d）C-SiC纤维气凝胶的SEM图像。（e）C-SiC纤维气凝胶的三维重建CT图像（用不同的颜色表示纤维的取向）。（f）立在羽毛尖端上的C-SiC纤维气凝胶的光学图像。（g）弯曲之前和之后的C-SiC纤维气凝胶的光学图像。（h）C-SiC纤维气凝胶的光学图像。压缩前后的SiC纤维气凝胶。 图2 Si-C-O-N向C-SiC纤维气凝胶的转化。（a）在不同温度下获得的纤维横截面的SEM图像。（B）在不同温度下获得的纤维表面的SEM图像。（c）在不同温度下获得的纤维的TEM图像。(d)在不同温度下获得的纤维的TEM-EDS图像。（e）在不同温度下获得的纤维气凝胶的XRD图案。（f）在1800 ℃下获得的C-SiC纤维气凝胶的29 Si MAS NMR光谱。（g）在1800 ℃下获得的C-SiC纤维气凝胶的XPS光谱。（h）高温下的转化机理示意图。 图3 C-SiC纤维气凝胶的机械和化学性质。（a）C-SiC纤维气凝胶的应力-应变曲线。（B）最大压缩应力和（c）在ε = 30%和60%下10次循环的能量损失系数。（d）在1 M HCl中保持7天后C-SiC纤维气凝胶的SEM图像。（e）C-SiC纤维气凝胶的SEM图像。（f）C-SiC纤维气凝胶的水接触角和（g）C-SiC纤维气凝胶的油接触角。 图4 C-SiC纤维气凝胶的耐高温和隔热性能。（a）在1800 ℃下热处理1小时后C-SiC纤维气凝胶的SEM图像。（B）在2000 ℃下热处理1小时后C-SiC纤维气凝胶的SEM图像。（c）在2000 ℃下热处理1小时后C-SiC纤维气凝胶的XRD图案。（d）C-SiC纤维气凝胶在1000 ℃下氧化10分钟后的SEM图像。(e)C-SiC纤维气凝胶在不同温度下的热导率。（f）C-SiC纤维气凝胶在丁烷炬加热下的红外图像。（g）C-SiC纤维气凝胶的N2吸附-脱附等温线。（h）通过NLDFT和BJH获得的C-SiC纤维气凝胶的微分孔体积与对数孔径分布曲线（i）C-SiC纤维气凝胶的绝热机理示意图。（j）本工作中的C-SiC纤维气凝胶的热导率与文献报道的热导率的比较图。 图5 C-SiC纤维气凝胶的电磁屏蔽性能。（a-f）电磁屏蔽性能，反射率，吸收率，C-SiC-X纤维气凝胶在X波段的透射率和透过率。（g）无C-SiC纤维气凝胶和含C-SiC纤维气凝胶的电场分布模拟结果。（h）基于特斯拉线圈的电磁屏蔽性能演示。（i）电磁屏蔽机理示意图。（j）本工作的密度和绝对电磁屏蔽能力与文献报道的那些的比较。 结论 总之，本研究提出了一种简单、经济的方法，即以低成本的聚硅氧烷和聚丙烯腈为双前驱体，直接构建具有集成结构的材料，而不是采用昂贵的填料和复杂的制备工艺。由于仿生策略的成功实施，获得了内部结构疏松、外部相对致密的类苦瓜纤维，具有3.9 mg cm-3的超低密度的气凝胶表现出9.12 mW m-1 K-1的超低热导率，其最大电磁辐射强度SE为53.1 dB，最大电磁辐射强度SSE/t为346 828.6 dB cm 2 g-1。此外，该气凝胶还具有压缩回弹性、耐酸碱腐蚀性本研究为多功能柔性C-SiC纤维气凝胶的制备提供了一条可扩展且经济的路线，不仅打破了隔热和电磁屏蔽性能之间的平衡，而且为推进集成功能材料的发展展示了巨大的前景，特别是对于潜在的航空航天应用。 【声明】版权归原作者所有，感兴趣的读者可点击左下角阅读原文，如涉及侵权问题，请联系删除！ 原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.76343
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