《Chemical Engineering Journal》：Multiscale architecture unlocks broadband EMW absorption and thermal insulation in SiC
f/SiC
nw all-ceramic aerogels via ceramic papermaking
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•一种将室温陶瓷造纸技术与化学气相沉积相结合的简化制备策略，可实现对全陶瓷气凝胶密度的精准控制。•研究人员设计出一种新型多尺度气凝胶，其结构从毫米级的碳化硅纤维到纳米级的纳米线不等，从而展现出优异的性能。•这种气凝胶不仅能提供超轻的隔热效果，还能实现宽频段的电磁波吸收，在经过高温
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一种将室温陶瓷造纸技术与化学气相沉积相结合的简化制备策略，可实现对全陶瓷气凝胶密度的精准控制。
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研究人员设计出一种新型多尺度气凝胶，其结构从毫米级的碳化硅纤维到纳米级的纳米线不等，从而展现出优异的性能。
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这种气凝胶不仅能提供超轻的隔热效果，还能实现宽频段的电磁波吸收，在经过高温烧蚀后还能展现出独特的防火强化效果。
引言
新一代航空航天器需在极端的工作环境中运行。机械载荷、高温以及雷达波辐射等多物理场共同作用，使得人们迫切需要具备结构与功能一体化特性的材料[1]、[2]、[3]。为满足这一需求，气凝胶受到了广泛关注，因为它们不仅具有出色的隔热性能，还在电磁波吸收领域具有巨大的应用潜力[4]、[5]、[6]。尤其是那些在高速飞行及高温环境下工作的新一代航空航天器，面临着来自高频雷达探测系统（如X波段和Ku波段，频率范围为8–18 GHz，常用于空中追踪和火控雷达）的严重威胁[7]。因此，在极端温度条件下实现高效、针对性的高频电磁波吸收对于热防护和隐身技术的应用至关重要。然而，传统的高频吸收材料存在诸多缺陷：碳基材料和MXenes在高温环境下极易发生氧化降解[8]、[9]，而磁损耗吸收材料则会在超过居里温度时出现磁化强度下降的问题。此外，常见的氧化物陶瓷气凝胶在电磁波吸收性能方面表现不佳，难以同时实现这两种关键功能[10]、[11]。
作为典型的非氧化物陶瓷，碳化硅具有出色的高温抗氧化性和化学稳定性。同时，它本身的半导体特性也使其具备电磁波吸收能力[12]、[13]、[14]。正因如此，碳化硅气凝胶成为了多功能热防护材料的理想选择。溶胶-凝胶法是制备气凝胶的传统方法。Kong等人[15]合成了间苯二酚-甲醛/二氧化硅复合气凝胶，随后通过超临界干燥和碳热还原处理，得到了孔隙率及比表面积极高的碳化硅气凝胶。Han等人[16]则采用燃烧合成法，在几秒钟内就制得了块状碳化硅气凝胶，这类气凝胶不仅导热系数极低，还具有良好的机械性能。不过，这些基于化学合成的方法通常流程复杂，且对气凝胶密度的控制能力有限。
在之前的研究中，我们提出了一种受中国传统造纸工艺启发的“陶瓷造纸”技术，该技术利用重力作用下的沉降效应和纤维自组装机制，为碳化硅纤维垫的制备提供了一种极为简化的方法[17]。这种方法能够精准调控气凝胶的密度，从而提升其在不同工作环境中的适用性。由此制得的超轻碳化硅纤维垫密度仅为0.13克/立方厘米，导热系数也只有42毫瓦·米?1·开尔文?1，同时在高温烧蚀条件下还能表现出出色的防火强化效果——在1600摄氏度环境下暴露后，其抗压强度可从49千帕上升至206千帕。不过，这种具有均匀单尺度结构的碳化硅气凝胶在电磁波吸收等功能应用方面还存在一定局限性，还需进一步研究。
近年来，人们又开发出了基于化学气相沉积技术制备碳化硅气凝胶的方法[18]、[19]。该方法利用一氧化硅与碳氧化物在高温下的气相反应来生成碳化硅纳米线。由于这些纳米线具有极高的长径比，由它们构成的气凝胶不仅具有优异的机械性能[20]，其弹性还可以通过诸如在纳米线连接处进行氧化交联之类的改性手段进一步提升[21]。然而，对于单尺度纳米线网络而言，仍然存在两个关键问题：其一，纳米线的直径过小，使其极易在高温下发生氧化降解[22]；其二，均匀的纳米级孔结构无法为电磁波的耗散提供足够的途径[23]。更重要的是，如何同时调控宏观骨架的密度与微观纳米线的分布，依然是一项极具挑战性的任务。
为解决这些问题，我们在原有陶瓷造纸技术的基础上，提出了一种新的分步策略，用于构建从毫米级到纳米级的多尺度全陶瓷碳化硅纤维/碳化硅纳米线气凝胶。通过调整碳化硅纤维气凝胶中的纤维含量，我们系统地研究了纤维添加量对气凝胶密度及机械性能的影响。同时，我们也分析了碳化硅纤维气凝胶的密度对其后续碳化硅纳米线生长行为的影响。实验结果表明，使用纤维含量为4体积百分比的SF-4作为骨架，可以为碳化硅纳米线的大量生长提供充足的生长空间，从而形成一种具有代表性的多尺度全陶瓷气凝胶结构。所制备的SFW-4气凝胶密度极低，仅为0.23克/立方厘米，同时还具备出色的抗压韧性。它的导热系数也只有64毫瓦·米?1·开尔文?1。在1000摄氏度的持续热负荷作用下，其背面的温度仅约为250摄氏度。这种多尺度结构使得SFW-4具有优异的电磁波吸收性能。由于形成了从毫米级到纳米级的分层结构，宏观的纤维骨架能够提供连续的阻抗匹配通道，而密集的原位生长的微观纳米线则可为高频电磁波的耗散提供大量的界面极化场所。因此，厚度为4.3毫米的SFW-4气凝胶能够实现最低-46.62分贝的反射损耗值。值得注意的是，经过1000摄氏度的热处理后，这种气凝胶的机械性能还会出现明显的防火强化效果。与此同时，它的有效吸收带宽也从4.6吉赫兹大幅扩展到了11.5吉赫兹，完全覆盖了关键的X波段和Ku波段频率范围。这种多尺度的碳化硅纤维/碳化硅纳米线气凝胶设计成功克服了单一尺度气凝胶在高温环境及电磁波吸收应用中的固有缺陷，为极端环境下的应用提供了一种轻质且功能多样的热防护材料。
章节要点
原材料
碳化硅纤维（SiCf，SLF-II型，单丝直径为10.0±1.0微米）由中国苏州赛拉菲尔陶瓷纤维有限公司提供。气相二氧化硅（S861488型，纯度大于99%）则购自中国上海麦克林生化科技有限公司。短碳纤维（Cf，直径为5–10微米，长度为20–50微米）由中国ENO高科技材料发展有限公司提供。CTAB试剂（H108986型，纯度不低于99.0%）则由中国上海阿拉丁有限公司提供，用作阳离子分散剂。三乙胺（M03649型，纯度不低于99.5%）
设计与制备
受传统造纸工艺的启发，我们采用了此前报道过的“陶瓷造纸”组装策略来制备超轻碳化硅纤维气凝胶，以此为碳化硅纤维/碳化硅纳米线气凝胶提供结构支撑。随后通过化学气相沉积技术引入碳化硅纳米线，最终得到了从毫米级到纳米级的不等尺度的多尺度气凝胶，正如图1a所示，这类气凝胶在热管理及电磁波吸收方面都具有出色的性能。
结论
本研究受中国古代造纸艺术的启发，通过将室温陶瓷造纸技术与化学气相沉积技术相结合，成功制备出了多尺度全陶瓷气凝胶。通过系统地调整碳化硅纤维骨架中的纤维含量，我们找到了最有利于碳化硅纳米线大量生长的结构体系。由此得到的碳化硅纤维/碳化硅纳米线全陶瓷气凝胶，其结构涵盖了从毫米级纤维到纳米级纳米线等多个尺度，从而
作者贡献说明
陈晓彤：论文撰写与修改、原始稿撰写、数据可视化、结果验证、研究方法设计、实验分析、正式分析、数据整理、概念构思。 陈静怡：原始稿撰写、软件应用、研究方法设计、实验分析、正式分析、数据整理、概念构思。 李万勋：研究方法设计、实验分析、正式分析、数据整理、概念构思。 辛俊哲：原始稿撰写、研究方法设计、实验分析、正式分析、数据整理。 刘昌
利益冲突声明
所有作者均声明，自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联关系。
致谢
本项研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52572094）的资助，同时北京工业大学的分析测试中心也为该研究的材料表征工作提供了支持。
Xiaotong Chen|Jingyi Chen|Wanxun Li|Junzhe Xin|Chang Liu|Wenqing Wang|Rujie He|Ying Li
