东华大学成艳华等·AM·气凝胶·力学鲁棒·空间热绝缘·阻力增强离轨球·空间碎片缓解·柔性居住舱·航空航天热防护·火星模拟环境隔热
面向可展开空间系统的共价融合纳米纤维气凝胶：兼具卓越机械鲁棒性与热绝缘性能
综述：为应对传统纳米纤维气凝胶在压缩、拉伸、弯曲、剪切等复杂多轴载荷下易发生交联点失稳、结构破坏并导致热绝缘性能衰减的科学问题，东华大学Yanhua Cheng团队提出了一种仿海绵骨架的共价融合纳米纤维气凝胶设计策略。该团队以天然细菌纤维素连续三维网络为结构模板，采用VTMS气相沉积与原位聚合策略，在纤维表面构筑PVSQ壳层，并通过硅氧烷键形成高密度纤维间“融合点”，制备了BC-PVSQ杂化气凝胶。该材料兼具16.1 mg cm⁻³低密度、98.8%孔隙率、99%可恢复压缩性、0.7 MPa拉伸强度、>20 mm⁻¹弯曲曲率、10,000次剪切循环稳定性和27.0 ± 0.2 mW m⁻¹ K⁻¹低热导率。其优异性能源于连续BC纳米纤维骨架、PVSQ核壳增强层、共价融合点应力传递与分子排斥回复的协同作用。该研究进一步验证了其在阻力增强离轨球结构件和火星模拟环境柔性居住舱热防护层中的应用潜力。相关论文以“Covalently Fused Nanofiber Aerogels With Exceptional Mechanical Robustness and Thermal Insulation for Deployable Space Systems”为题，发表在Advanced Materials上。技术路线图（部分）如下：图1 中文图注：BC-PVSQ 气凝胶示意图。具有融合点的缠结核壳纳米纤维结构赋予该气凝胶协同的力学鲁棒性和隔热性能，使其能够应用于可展开增阻离轨球和柔性居住舱。图2 中文图注：BC-PVSQ 杂化气凝胶的制备原理。（a）BC-PVSQ 制备过程示意图。（b，c）H2O、VTMS 和 VTS 附着于 BC 表面时的分子构型、静电势（ESP）能量图（b）以及计算得到的吸附能（c）。（d）BC-PVSQ 制备过程中分子结构的演化。图3 中文图注：BC-PVSQ 杂化气凝胶的结构演化。（a）BC-PVSQ 立于羽毛上的光学图像。（b）BC-PVSQ 的 SEM 图像。（c）BC-PVSQ 杂化纳米纤维的 TEM-EDS 元素映射，分别显示 Si、O 和 C 元素。（d）BC-PVSQ 纳米纤维的截面 FIB-STEM 图像及相应 EDS 映射（圆圈表示 BC 纳米原纤）。（e，f）BC 与 BC-PVSQ 的 ATR-FTIR 光谱和固态 13C NMR 光谱。（g）BC-PVSQ 的固态 29Si NMR 光谱。图4 中文图注：BC-PVSQ 气凝胶的力学机制。（a）BC-PVSQ 气凝胶受力时的多尺度力学机制分析。（b）BC-PVSQ 在单轴 60% 压缩下的原位 SEM 图像。（c，d）加载-卸载过程中 BC 模型和 BC-PVSQ 模型的 Mises 应力分布。（e，f）MD 模拟量化相邻 BC-PVSQ 簇相互接近时的排斥相互作用力，阐明弹性能储存与结构恢复的分子机制。图5 中文图注：BC-PVSQ 气凝胶的压缩行为与力学恢复性。（a）BC-PVSQ 压缩-恢复过程示意图。（b）在预设应变水平（30%、60% 和 80%）下循环压缩-释放测试记录的应力-应变（σ-ε）曲线。（c）BC-PVSQ 在 99% 应变加载和卸载循环中的压缩 σ-ε 曲线及数码图像。（d）80% 应变下第 1、10 和 100 次循环压缩。（e）BC-PVSQ 的模量、应力和相对高度随循环次数的变化。（f）BC-PVSQ 被车辆碾压的光学图像。（g）在 −150°C 至 200°C 宽热区间内，压缩储能模量随频率（0.1–50 Hz）的变化。（h）BC-PVSQ 的计算融合点密度与最大可恢复应变关系图，并与已报道的纳米纤维基气凝胶进行比较，包括 CNF [54,55]、Al2O3 [56]、TiO2 [57]、PPS [31]、SiO2 [58–66]、ZrO2-SiO2 [34,38,67]、ASNFs [68]、ANF [69]、SiC [30,70–73] 和 Si3N4 [35]。图6 中文图注：BC-PVSQ 气凝胶的拉伸、弯曲和剪切性能。（a）BC-PVSQ 气凝胶拉伸-恢复过程示意图。（b）BC-PVSQ 的拉伸 σ-ε 曲线。（c）ε = 5% 条件下 100 次加载-卸载循环的拉伸测试。（d）BC-PVSQ 样品（截面积：10 mm × 3 mm，质量：0.025 g）悬挂 1,000 g 重物的照片。（e）BC-PVSQ 气凝胶弯曲-恢复过程示意图。（f）BC-PVSQ 在最高 50% 应变下的循环弯曲测试。（g）连续弯曲循环过程中峰值弯曲应力与能量耗散系数的演变。（h）通过 SEM 捕捉原位弯曲和结构恢复阶段的微观结构观察。（i）BC-PVSQ 气凝胶剪切-恢复过程示意图。（j）BC-PVSQ 的 10,000 次循环剪切测试。（k）BC-PVSQ 在环境气氛（≈ 25°C）下的循环剪切测试（ε = ±3%，10 Hz，10,000 次循环）。（l）比较 BC-PVSQ 与其他纳米纤维基气凝胶的雷达图，包括 ZrO2-SiO2 纳米纤维气凝胶 [22]、SiO2 纳米纤维气凝胶 [76]、PSU-PU 纳米纤维气凝胶 [77]、SiO2-SiOx 纳米纤维气凝胶 [78] 和 Mullite 纳米纤维气凝胶 [27]。图7 中文图注：BC-PVSQ 杂化气凝胶的航天应用探索。（a）增阻离轨技术示意图。（b）BC-PVSQ 作为增阻离轨球结构构件的示意图。（c）气凝胶结构构件受到外部粒子冲击后的形状恢复示意图。（d）BC-PVSQ 结构构件在 1,000 次冲击循环中的压缩应力-应变曲线。（e）BC-PVSQ 结构构件在 1,000 次弯曲循环中的载荷-应变曲线。（f）气凝胶隔热性能机制示意图。（g）在相同面密度 8.6 mg cm−2 下，热/冷板、MLI、陶瓷纤维毡和 BC-PVSQ 的平衡温度（情景 1：空气中，环境：23°C，1 atm）。（h）BC-PVSQ、MLI 和陶瓷毡在加热板上的温度-时间曲线及温差（情景 2：CO2 中，环境：23°C，0.006 atm）。（i）气凝胶复合材料作为可展开柔性热防护层应用于居住舱的示意图。研究动机：航空航天轻量化要求材料在极低密度条件下同时保持长期服役可靠性，尤其在可展开空间系统中，结构件和隔热层需要经受折叠压实、展开回复、冲击、弯曲、剪切以及宽温域环境等多重载荷。气凝胶因高孔隙率、低密度和低热导率而适用于轻质热防护，但实际工程应用仍受到力学脆性与结构失效的限制。前人工作瓶颈：传统颗粒气凝胶通常依赖“珍珠链式”弱颗粒连接，易脆裂；纳米纤维气凝胶虽具有一定柔性，但纤维间交联点稳定性不足，在压缩、拉伸、弯曲与剪切等多轴载荷下容易产生不可逆损伤。结构退化会进一步削弱热绝缘性能，导致机械鲁棒性与低热导率之间长期存在难以兼顾的矛盾。本工作的解决方案：作者借鉴海绵骨架的分级多孔、连续纤维网络和强交联“融合点”特征，选择具有超连续三维纳米纤维网络和丰富羟基反应位点的细菌纤维素作为模板，通过VTMS气相沉积、水解、缩聚和矿化过程构筑PVSQ包覆的核壳纤维，并在纤维交叉处形成共价硅氧烷融合点，从结构源头提升应力传递、能量耗散和疲劳稳定性。引出关键问题：本研究回应的核心问题是如何在不牺牲气凝胶低密度和热绝缘特征的前提下，通过分子—纳米—微米多尺度结构设计，使纳米纤维气凝胶在复杂空间服役载荷下保持可逆形变、结构完整和功能稳定。提出了仿海绵骨架的共价融合纳米纤维气凝胶设计思路，将分级孔隙、连续纤维骨架和高强度纤维间融合点整合到同一气凝胶体系中，实现了机械鲁棒性与热绝缘性能的协同提升。创新性地采用天然细菌纤维素网络作为连续结构模板，并通过VTMS气相沉积原位聚合形成PVSQ核壳层，使纤维间交叉区域经硅氧烷键共价融合，避免了传统物理缠结或弱界面连接导致的结构失稳。建立了多尺度力学增强机制：宏观多孔网络分散外载荷，微观核壳纤维和共价融合点抑制裂纹扩展并促进应力传递，分子尺度PVSQ乙烯基排斥作用储存弹性回复能，从而赋予材料极限压缩、弯曲、拉伸和剪切疲劳稳定性。拓展了气凝胶在可展开空间系统中的工程应用场景，证明BC-PVSQ可作为阻力增强离轨球的可折叠结构成员，并可作为柔性居住舱的轻质热防护层，在模拟火星低压CO₂环境中优于传统MLI和陶瓷纤维毡。材料原料：细菌纤维素水凝胶、乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）、去离子水、NaOH、亚甲基蓝等。合成策略：首先对BC水凝胶进行碱洗、溶剂置换与超临界CO₂干燥，获得超轻BC干凝胶；随后将BC干凝胶置于含水蒸气与VTMS蒸气的密闭PTFE反应器中，于80 °C条件下进行化学气相沉积和原位气相聚合，使VTMS在纤维网络中水解、缩聚并形成PVSQ壳层，最终得到核壳结构BC-PVSQ杂化气凝胶。合成机理关键词：水分子选择性吸附、VTMS表面限域水解、VTS中间体生成、模板诱导缩聚、PVSQ包覆、硅氧烷共价键合、纤维间融合点构筑、核壳纳米纤维网络。材料性能优势：低密度、高孔隙率、超高可恢复压缩性、拉伸承载能力、弯曲回复性、剪切疲劳稳定性、宽温域力学稳定性、低热导率、阻燃自熄、超疏水和湿热稳定性。应用领域简写：空间可展开结构（DSS）、航空航天热防护（ATP）、柔性居住舱隔热（FHI）、阻力增强离轨系统（DAD）、轻质隔热材料（LTI）等。主要性能表现：BC-PVSQ气凝胶在16.1 mg cm⁻³低密度和98.8%高孔隙率条件下，仍表现出>99%可恢复压缩性；在80%应变下100次压缩循环后保持超过97%的最大应力与宏观高度，并保留约92%的初始杨氏模量；材料还可在承受1.6吨车辆碾压后恢复原始形态，显示出极高抗压回复能力。性能支撑机制：宏观多孔网络通过孔壁屈曲与回复分散外部应力；微观PVSQ核壳纤维在纤维交叉处形成共价融合点，作为应力传递节点抑制局部裂纹和塑性变形；分子尺度乙烯基排斥作用在严重压实时阻止纤维永久粘连，为快速弹性回复提供分子弹簧效应。结构/原料设计赋能：BC天然三维连续纳米纤维骨架提供超连续传力网络，PVSQ壳层提高界面稳定性与耐热性，硅氧烷键构筑的纤维间融合点实现从分子键合到网络骨架的多尺度增强。有限元模拟表明，BC-PVSQ模型在30%压缩应变下等效塑性应变降至4.6%，明显低于纯BC的12.8%，证明其应力集中被显著削弱。次要性能表现：材料实现0.7 MPa拉伸强度和18.5%断裂伸长率；可承载约自身重量40,000倍的负载；在50%弯曲应变下经历1,000次折叠循环后仅有轻微永久变形；可在−196 °C液氮环境中保持弯曲柔性，并在−150 °C至200 °C范围内保持稳定动态力学响应；在±3%剪切应变、10 Hz条件下经历10,000次剪切循环仍保持稳定黏弹性。机理支撑：拉伸过程中连续纤维网络和融合点共同承担载荷并缓冲微拉伸能量；弯曲过程中纳米纤维网络产生可逆微褶皱以暂存内应力；剪切过程中共价融合骨架维持网络拓扑稳定，避免多方向载荷下的交联点松脱和结构坍塌。结构/原料归因：BC提供连续柔性骨架与羟基反应位点，PVSQ提供柔韧硅氧网络、低表面能和热稳定性，核壳异质界面增强声子散射，纳米级孔径限制气体热对流，丰富杂化分子键降低中红外透过，从而共同支撑低热导率、阻燃、超疏水和高湿环境力学保持能力。材料综合特性汇总：BC-PVSQ兼具超低密度、连续可折叠骨架、极限压缩回复、拉伸承载、弯曲抗疲劳、剪切稳定、宽温域力学可靠性、热稳定性、超疏水性和低热导率，适合需要轻量化、可压缩存储、可展开回复和热管理功能耦合的空间系统。典型应用方向：其一是作为阻力增强离轨球的结构成员，通过外覆镀铝聚酰亚胺薄膜形成复合结构，实现折叠压实、约束释放后的自主回复和离轨球气动面积扩展；其二是作为行星柔性居住舱的热防护层，用于替代或补充MLI与陶瓷纤维毡，服务于月球、火星等低压或强温差环境下的轻质隔热。具体表现指标：在离轨结构件验证中，BC-PVSQ复合结构经历1,000次压缩冲击循环和1,000次弯曲循环后载荷—应变曲线仍保持高度稳定。在热绝缘验证中，BC-PVSQ热导率为27.0 ± 0.2 mW m⁻¹ K⁻¹，低于MLI的53.0 ± 1.5 mW m⁻¹ K⁻¹和陶瓷纤维毡的40.1 ± 0.3 mW m⁻¹ K⁻¹；在8.6 mg cm⁻²相同面密度下，其热板测试温差达72 °C，冷板测试温差达105 °C；在模拟火星0.006 atm CO₂环境下，BC-PVSQ背表面平衡温度为70 °C，明显低于MLI的105 °C和陶瓷纤维毡的113 °C。研究成果的核心贡献：该工作通过气相聚合构筑共价融合BC-PVSQ核壳纳米纤维气凝胶，系统解决了纳米纤维气凝胶中纤维交联点弱、复杂载荷下易失效和热绝缘功能难以保持的问题，为高韧性低热导率气凝胶提供了可推广的结构设计范式。科学或工程意义：该研究将仿生多孔结构、连续纳米纤维骨架和分子共价融合机制结合起来，阐明了多尺度结构如何协同调控气凝胶的压缩、拉伸、弯曲、剪切与热传输行为，突破了传统气凝胶“增强即增密、隔热即脆弱”的性能权衡。潜在拓展应用领域：除阻力增强离轨装置和行星柔性居住舱外，该类气凝胶还可拓展至深空探测器轻质热防护、卫星可展开结构缓冲层、极端温区保温组件、低温柔性隔热包装、航空航天冲击防护和高湿环境耐久隔热材料等方向。凝胶种类：纳米纤维气凝胶·杂化气凝胶·BC-PVSQ气凝胶·细菌纤维素气凝胶·核壳纳米纤维气凝胶机理：仿生·气相沉积·原位聚合·表面限域水解·模板诱导缩聚·硅氧烷共价键合·纤维间融合点·核壳结构·多尺度应力传递·分子排斥回复·异质界面声子散射性能：低密度·高孔隙率·高压缩回复·拉伸强度·弯曲韧性·剪切疲劳稳定·宽温域稳定·低热导率·阻燃自熄·超疏水·湿热稳定应用：可展开空间系统·阻力增强离轨球·空间碎片缓解·柔性居住舱·航空航天热防护·火星模拟环境隔热·轻质隔热材料通讯作者：Junyan Zhang；Yanhua Cheng研究单位（中文）：东华大学材料科学与工程学院先进纤维材料国家重点实验室；上海交通大学医学院附属松江医院松江研究院、上海情绪与情感障碍重点实验室；北京空间机电研究所
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