摘要：轻质纳米多孔气凝胶纤维因其独特的结构特性，在个人热管理、建筑节能及极端环境防护等领域展现出巨大潜力。这类材料通过内部丰富的纳米孔隙结构（孔隙率>90%）有效限制空气分子碰撞、延长热传导路径并增强界面热阻，从而在超低密度下实现卓越隔热性能。然而，传统湿法纺丝技术
轻质纳米多孔气凝胶纤维因其独特的结构特性，在个人热管理、建筑节能及极端环境防护等领域展现出巨大潜力。这类材料通过内部丰富的纳米孔隙结构（孔隙率>90%）有效限制空气分子碰撞、延长热传导路径并增强界面热阻，从而在超低密度下实现卓越隔热性能。然而，传统湿法纺丝技术制备的气凝胶纤维因致密外层的存在，显著降低了高效隔热纳米孔隙的体积占比，制约了纤维性能的进一步提升，径向热导率较高（0.027-0.5 W m⁻¹ K⁻¹）。
基于以上问题，安农大叶冬冬教授团队联合西安交通大学宋建伟教授团队与浙江大学朱书泽教授团队，基于微流控纺丝技术精准调控微流道内溶剂剪切与扩散过程，使凝胶纤维形成“外疏内密”的梯度结构，并在超临界干燥过程中反转，最终获得鞘层与芯层平均孔径分别为150 nm与600 nm的梯度纳米结构的气凝胶纤维。这一设计不仅显著提升孔隙率（从98%增至98.6%），还使纤维密度降低至15.7 kg m-³，同时优化了热传递路径与界面热阻。最终制备的梯度全纳米结构芳纶气凝胶纤维（GAFs）在隔热与力学性能上实现重大突破。该研究以题为“Gradient All-Nanostructured Aerogel Fibers for Enhanced Thermal Insulation and Mechanical Properties”的论文发表在《Nature Communications》。安徽农业大学博士后傅晓童、西安交通大学博士司联蒙为本文共同第一作者，安徽农业大学叶冬冬教授、浙江大学朱书泽教授以及西安交通大学宋建伟教授为本文通讯作者。作者感谢安徽农业大学纺织工程学科平台和安徽省高性能生物基尼龙工程研究中心提供的分析测试支持，以及国家自然科学基金、安徽省优秀青年基金项目、安徽农业大学提供的科研经费支持。
【气凝胶材料热绝缘机制及梯度全纳米结构芳纶气凝胶纤维开发】
本研究聚焦于气凝胶材料的热绝缘机制，发现其孔径大小和空间分布对热绝缘性能影响显著。通过模拟发现，梯度全纳米结构纤维相比皮芯结构纤维展现出更高的热阻和热储存能力，热导率降低40%。基于此，课题组开发了梯度全纳米结构芳纶气凝胶纤维（GAFs），采用纳米剥离、微流控纺丝、溶胶-凝胶转变和超临界二氧化碳干燥等工艺制备。该纤维无致密外层，完全纳米多孔，隔热性能优异。此外，该方法具备大规模生产可行性，且力学性能优异，可编织成织物，为高性能隔热材料开发提供了新思路。
图1. 热模拟与梯度全纳米结构气凝胶纤维制备
【梯度全纳米结构芳纶气凝胶纤维（GAFs）的形成机制及结构特性】
梯度全纳米结构芳纶气凝胶纤维（GAFs）的形成分为三个关键阶段：1）微流体芯片中，DMSO鞘流与ANF分散液（DMSO/KOH）相互作用，形成外部低浓度、内部高浓度的梯度分布；2）进入酸性凝固浴后，ANF质子化引发凝胶化，冻结梯度结构，形成外部孔隙松散、内部孔隙较小的凝胶纤维；3）在超临界干燥过程中，纤维表面大孔逐渐塌陷为小孔，最终形成GAFs。与湿法纺丝制备的皮芯结构芳纶气凝胶纤维（SAFs）相比，GAFs具有明显的梯度结构：核心为纳米多孔结构，平均孔径约500纳米，外层孔径约160纳米，且存在明显的梯度界面层。拉曼光谱分析表明，SAFs表面存在高度致密的薄层，而GAFs的堆积密度从外向内逐渐降低，呈现出梯度过渡特性。这些结果进一步确认了两种纤维在结构组装上的显著差异。
图2. 梯度全纳米结构气凝胶纤维的形成机制与结构表征
【梯度全纳米结构气凝胶纤维力学性能】
为探究纳米结构对气凝胶纤维力学性能的影响，本研究对比了SAFs和GAFs的拉伸断裂强度。结果显示，SAFs因致密外壳层而具有更高的杨氏模量（112.74 MPa），比GAFs（81.9 MPa）高出37.7%。然而，SAFs的抗拉强度（10.9 MPa）、断裂伸长率（17.8%）和韧性（1.06 MJ/m³）显著低于GAFs（分别为29.5 MPa、39.2%和5.7 MJ/m³），表明梯度纳米结构可显著提升力学性能。GAFs在承受50克重量和1000次拉伸循环后，性能和形貌几乎不变，展现出优异的稳定性。分子动力学模拟显示，在大变形下，SAFs的致密外壳易破裂，暴露出内部纳米结构；而GAFs的外层纳米孔与纤维协同变形，避免结构出现破坏性损伤，保持了结构完整性。拉曼成像进一步揭示了GAFs在拉伸过程中应力分散效果显著，整体拉曼红移最小（Δν = 0.3 cm⁻¹），表明其内部应力最低，力学性能最优。
图3. 梯度全纳米结构纤维力学性能及强韧机制研究
【梯度全纳米结构气凝胶纤维热阻隔性能】
研究团队通过实验与模拟双重验证，揭示了梯度纳米结构芳纶气凝胶纤维（GAFs）的卓越隔热机制。当热台设定为200°C时，GAFs织物表面温度仅190.3°C，较传统皮芯结构纤维（SAFs）降低3.2°C。在-30°C至270°C宽温域测试中，0.5 mm厚GAFs织物可实现冷/热端温差33.4°C/63°C，1 mm厚度更提升至45.4°C/113°C，性能超越PVC、PI等合成纤维及硅基气凝胶。分子动力学模拟显示，梯度密度模型在450 K→300 K热传导过程中，界面处出现显著温度骤降，其热导率较均匀密度模型降低40%（0.032 vs. 0.054 W m⁻¹ K⁻¹），与实验测得的GAFs超低径向热导率（0.0228 W m⁻¹ K⁻¹）高度吻合。模拟证实，梯度结构通过界面热阻与热储能协同作用，较传统皮芯结构减少67%热能传递。
图4. 梯度全纳米结构纤维热阻隔性能及机制研究
总结：该团队通过微尺度流体调控，实现微流道内溶剂剪切与扩散的协同作用，使前驱体凝胶形成“外疏内密”结构，经超临界干燥反转后获得鞘层（平均孔径150 nm）与芯层（600 nm）的梯度纳米孔隙。实验与模拟证实，梯度界面产生的高热阻使GAFs径向热导率低至0.0228 W m⁻¹ K⁻¹，较空气（0.026 W m⁻¹ K⁻¹）与湿纺气凝胶纤维相比降低30%-67%。同时，纳米缠结网络赋予其卓越力学性能：抗拉强度达29.5 MPa，断裂应变39.2%。研究为航天热防护、超低温工程及智能建筑提供了革新性解决方案。
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来源：汤姆聊科学