DOI: 10.1007/s40820-022-00905-6

传统陶瓷材料普遍易碎且不易弯曲，生产成本高，严重阻碍了其实际应用。多功能纳米纤维陶瓷气凝胶非常适用于极端环境，然而，在其制备过程中集成多种功能极具挑战性。为了应对上述挑战，研究者通过简单的化学气相沉积方法和随后的热处理工艺制造了具有三维（3D）多孔交联结构的多功能SiC@SiO2纳米纤维气凝胶（SiC@SiO2 NFA）。所制备的SiC@SiO2 NFA具有超低密度（约11mg/cm3）、超弹性、抗疲劳和耐火性能、高温热稳定性、隔热性能和显著的应变相关压阻传感特性。此外，SiC@SiO2 NFA表现出优异的电磁波吸收性能，最小反射损耗（RLmin）值为 -50.36dB，最大有效吸收带宽（EABmax）为8.6GHz。总体而言，这种多功能气凝胶材料的成功制备为尖端陶瓷材料的设计与制造提供了广阔的前景。

图1.SiC@SiO2 NFA的制备过程。①步骤1：在Ar中于1500℃下制备，时长5h。②步骤2：自组装成3D高度多孔气凝胶。③步骤3：在空气中于700℃下从石墨盖上分离SiC NFA，时长2h。④步骤4：将气凝胶冲切成直径2cm的圆形片剂。⑤在空气中于1100℃下将SiC NFA氧化30min形成稳定的交联结，并在每根纳米纤维上涂覆SiO2，标记为SiC@SiO2 NFA。⑥立在树叶上的超低密度（约11mg/cm3）SiC@SiO2 NFA

图2.SiC@SiO2 NFA的微观结构。a）线簇交联微观结构SiC@SiO2 NFA的SEM图像，b）三根交联SiC@SiO2纳米纤维形成一个结的SEM图像，以及SiO2纳米层涂覆SiC纳米纤维的示意图（插图），c）具有光滑圆形表面的SiC@SiO2纳米纤维的SEM图像以及纳米纤维的相应EDS光谱（插图），d-f）来自c的相应EDS映射。g）具有核壳结构的SiC@SiO2纳米纤维横截面的TEM图像，h）SiC@SiO2纳米纤维横截面的放大TEM图像，i）SiC和SiO2之间的边界，j-l）h的相应元素映射

图3.SiC@SiO2 NFA的晶体结构、热稳定性、孔结构和化学成分。a）SiC@SiO2 NFA的XRD图案，b）FTIR光谱，c）拉曼光谱和d）TGA曲线，e）N2吸附/解吸等温线和相应的吸附孔径分布（插图），f）XPS全扫描光谱，以及高分辨率g）Si2p、h）C1s和i）O1s XPS光谱

图4.SiC@SiO2 NFA的温度不变超弹性。a）将SiC@SiO2 NFA置于酒精喷灯（约700℃）内并浸入液氮（约-196℃）中。b）SiC@SiO2 NFA的压缩测试，可以快速恢复到初始形状。SiC@SiO2 NFA在c）约25℃、e）约700℃、g）约-40℃和i）约-196℃下的压缩应力-应变曲线。SiC@SiO2 NFA在d）约25℃、f）约700℃、h）约-40℃和j）约-196℃下的循环压缩应力-应变曲线。k）最大应力和杨氏模量与压缩试验循环之间的函数关系。l）SiC@SiO2 NFA与其他随机结构气凝胶的比模量比较

图5.SiC@SiO2 NFA的应变和压力传感特性。a）当压缩速率为6mm/min时，5%-40%应变作用于SiC@SiO2 NFA的ΔR/R0。b）当压缩速率为6mm/min时不同压缩应变下的实时ΔR/R0循环试验；ΔR/R0随应变发生线性变化（插图b，GF=1.23）。c）当压缩应变为30%时，SiC@SiO2 NFA在不同压缩速率下的ΔR/R0。d）SiC@SiO2 NFA在30%压缩应变、6mm/min压缩速率及1000次循环下的压阻行为稳定性测试（插图显示放大曲线）。e）存在NaCl水溶液液滴时的实时ΔR/R0响应（插图描绘了NaCl水溶液液滴试验的相应示意图）。f）SiC@SiO2 NFA压力传感器在检测身体活动和微小压力方面的应用

图6.SiC@SiO2 NFA的防火、耐高低温和隔热性能。a）暴露于酒精灯火焰中的SiC@SiO2 NFA的数码照片。b）SiC@SiO2 NFA在氩气气氛中于不同温度下的热导率。c）将一片花瓣置于燃烧器火焰中的石棉网格和d）SiC@SiO2 NFA上。e）在加热平台上加热和g）在制冷平台上的冻结期间记录的SiC NFAS的热图像，以及（f和h）温度与时间的相应曲线。i）SiC@SiO2 NFA的隔热机理示意图

图7.油改性SiC@SiO2 NFA对有机液体的高吸收能力和自清洁性能。a-c）pH值约1、约7和约14的水滴在油改性SiC@SiO2 NFA上的数字照片和相应的WCA图像。d-g）油改性SiC@SiO2 NFA的自清洁过程。h-k）油改性SiC@SiO2 NFA吸收甲基橙水溶液的过程和随后的燃烧试验。l）油改性SiC@SiO2 NFA在燃烧法吸附煤油中的可回收性。m）油改性SiC@SiO2 NFA对各种有机液体的吸收能力以及n）SiC@SiO2 NFA的相应可回收性

图8.SiC@SiO2 NFA的EMW吸收性能。a）SiC@SiO2 NFA的频率和厚度相关RL值，b）典型频率下模拟厚度和峰值RL之间的关系，c）频率和厚度相关阻抗匹配（Z），d）厚度为1.6mm时RLmin和Z之间的关系，e）衰减常数α，f）3D和g）2D呈现，以及Z的h）3D和i）2D图

图9.SiC@SiO2 NFA的离轴电子全息图。a）SiC@SiO2纳米纤维纵向截面的TEM图像和b-d）电荷密度图像。e）节点横截面的TEM图像和f-h）电荷密度图像。SiC@SiO2纳米纤维横截面的i）TEM图像和j-l）电荷密度图像

图10.SiC@SiO2 NFA的EMW吸收机理示意图