中國粉體網(wǎng)訊 在科技飛速發(fā)展的今天,，導(dǎo)熱與散熱問題一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)之一,。無論是航天器的熱防護(hù),、建筑節(jié)能，還是極端環(huán)境下的設(shè)備保護(hù),，高效隔熱材料的研發(fā)都至關(guān)重要,。
近日，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)葉冬冬教授團(tuán)隊聯(lián)合西安交通大學(xué)宋建偉教授團(tuán)隊與浙江大學(xué)朱書澤教授團(tuán)隊,，成功開發(fā)了一種具有“外疏內(nèi)密”梯度納米結(jié)構(gòu)的氣凝膠纖維，為導(dǎo)熱與散熱領(lǐng)域帶來了革命性突破,！這項研究成果發(fā)表在《Nature Communications》上,，引發(fā)了廣泛關(guān)注。
傳統(tǒng)氣凝膠的瓶頸：導(dǎo)熱與機(jī)械性能難以兼得
氣凝膠是一種輕質(zhì)納米多孔材料,，因其超低密度和高孔隙率（通常>90%）,，在隔熱領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大潛力。其隔熱原理是通過內(nèi)部豐富的納米孔隙結(jié)構(gòu),，限制空氣分子碰撞,、延長熱傳導(dǎo)路徑并增強(qiáng)界面熱阻，從而實現(xiàn)卓越的隔熱性能,。然而,，傳統(tǒng)濕法紡絲技術(shù)制備的氣凝膠纖維存在一個致命缺陷：致密的外層結(jié)構(gòu)顯著降低了高效隔熱納米孔隙的體積占比，導(dǎo)致徑向熱導(dǎo)率較高（0.027-0.5 W/mK）,，限制了其性能的進(jìn)一步提升,。
突破性設(shè)計：“外疏內(nèi)密”梯度納米結(jié)構(gòu)
為了解決這一難題，葉冬冬教授團(tuán)隊創(chuàng)新性地采用了微流控紡絲技術(shù)，精準(zhǔn)調(diào)控微流道內(nèi)溶劑的剪切與擴(kuò)散過程,，使凝膠纖維形成“外疏內(nèi)密”的梯度結(jié)構(gòu),。具體來說，纖維的鞘層平均孔徑為150 nm,，芯層平均孔徑為600 nm,。這種設(shè)計不僅顯著提升了孔隙率（從98%增至98.6%），還將纖維密度降低至15.7 kg/m³,，同時優(yōu)化了熱傳遞路徑與界面熱阻,。
在超臨界干燥過程中，纖維表面的“外疏內(nèi)密”結(jié)構(gòu)發(fā)生反轉(zhuǎn),，最終形成梯度全納米結(jié)構(gòu)的芳綸氣凝膠纖維（GAFs）,。實驗表明，這種纖維的徑向熱導(dǎo)率低至0.0228 W/mK,，比空氣（0.026 W/mK）還要低,，較傳統(tǒng)氣凝膠纖維降低了30%-67%。
熱模擬與梯度全納米結(jié)構(gòu)氣凝膠纖維制備
卓越性能：隔熱與力學(xué)性能的雙重突破
1.隔熱性能：熱阻隔能力顯著提升
研究團(tuán)隊通過實驗與模擬驗證了GAFs的卓越隔熱性能,。當(dāng)熱臺設(shè)定為200°C時,，GAFs織物表面溫度僅為190.3°C，較傳統(tǒng)皮芯結(jié)構(gòu)纖維降低了3.2°C,。在-30°C至270°C的寬溫域測試中,，0.5 mm厚的GAFs織物可實現(xiàn)冷/熱端溫差33.4°C/63°C，1 mm厚度的溫差更提升至45.4°C/113°C,，性能遠(yuǎn)超PVC,、PI等合成纖維及硅基氣凝膠。
梯度全納米結(jié)構(gòu)纖維熱阻隔性能及機(jī)制研究
2.力學(xué)性能：強(qiáng)韌兼?zhèn)?/strong>
除了優(yōu)異的隔熱性能,，GAFs的力學(xué)性能也實現(xiàn)了重大突破,。實驗顯示，GAFs的抗拉強(qiáng)度達(dá)29.5 MPa,，斷裂伸長率為39.2%,，韌性高達(dá)5.7 MJ/m³。相比之下,，傳統(tǒng)皮芯結(jié)構(gòu)纖維的韌性僅為1.06 MJ/m³,。GAFs在承受50克重量和1000次拉伸循環(huán)后，性能和形貌幾乎不變,，展現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性,。
梯度全納米結(jié)構(gòu)纖維力學(xué)性能及強(qiáng)韌機(jī)制研究
應(yīng)用前景：從航天熱防護(hù)到智能建筑
這種梯度全納米結(jié)構(gòu)氣凝膠纖維的誕生，為多個領(lǐng)域提供了革新性解決方案：
1）航天熱防護(hù)：在極端高溫或低溫環(huán)境下,，GAFs可有效保護(hù)航天器設(shè)備,。
2）建筑節(jié)能：作為高效隔熱材料,，GAFs可大幅降低建筑能耗。
3）極端環(huán)境防護(hù)：在極地科考,、深海探測等領(lǐng)域,，GAFs可為設(shè)備和人員提供可靠的熱保護(hù)。
參考來源：
高分子科學(xué)前沿,，Nature Communications
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57646-4
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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