随着航空航天、电子设备及能源系统对高效热管理需求的增长，开发兼具超低导热系数和优异机械性能的隔热材料成为关键挑战。传统气凝胶材料面临隔热性能与机械强度之间的权衡：纳米多孔气凝胶隔热效果好但易碎，而微米孔纤维基气凝胶机械强度高却因孔隙过大导致导热系数较高。针对这一难题，南京师范大学先进热管理技术与功能材料团队通过创新性的层次结构设计，成功制备出一种新型SiO2纤维/芳纶纳米纤维(ANF)/气相二氧化硅气凝胶复合材料(SAF)。近日，论文以《Hierarchical SiO2 fiber/aramid nanofiber/fumed silica aerogel composites with enhanced mechanical robustness and ultra-low thermal conductivity》为题发表在中科院TOP期刊International Journal of Heat and Mass Transfer，通讯作者为南京师范大学刘晨晗教授，第一作者为南京师范大学吴琼，南京师范大学为第一单位。
研究团队通过冷冻干燥法，将气相二氧化硅(粒径<20 nm)分散到SiO2纤维和ANF构成的微米级孔隙中，构建了微纳双尺度网络结构。该设计的核心是层次化孔隙：微米级纤维框架提供机械支撑，纳米级孔隙通过Knudsen效应限制气体分子运动，降低气相传热。 图 1. SAF的分级设计示意图：由纤维构成的连续微孔框架作为机械支撑骨架。在微孔内部，气相二氧化硅聚集形成次级纳米孔，其尺寸小于气体分子的平均自由程，有效限制气体分子运动，从而降低气相传热。 图 2. SAF的导热系数定量分析及热性能：(a) 不同ANF和气相二氧化硅含量下SAF的导热系数；(b) 不同ANF和气相二氧化硅重量分数下SAF的平均孔径和气相导热系数；(c) 孔隙中Knudsen效应主导的热传输机制：纳米孔限制气体分子碰撞；(d) SAF、其他气凝胶与静止空气的导热系数对比。 SAF的隔热性能通过实验和理论计算得到验证。研究显示，25°C条件下，SAF-2A4F(含2‰ ANF和4%气相二氧化硅)的导热系数低至27.02 mW/(m·K)，接近静止空气。这一性能提升归因于纳米孔隙对气体分子运动的限制和气相导热系数的显著降低。图2(b)的定量分析揭示了孔径变化与气相导热系数的直接关联：随着气相二氧化硅含量从0%增加至4%，SAF的平均孔径从微米级(SAF-2A0F的>104 nm)显著减小至纳米级(SAF-2A4F的10-60 nm)。这种孔径细化导致Knudsen数(Kₙ = lₘ/δ，其中lₘ为气体分子平均自由路径，δ为孔径)增大，从而抑制气体分子碰撞传热。具体地，气相导热系数(kgas)从SAF-0A0F的25.71 mW/(m·K)降至SAF-2A4F的2.32 mW/(m·K)，降幅超过90%。然而，当气相二氧化硅含量超过4%时，固相导热系数因密度增加而上升，部分抵消了气相导热系数的降低，导致总导热系数上升(图2(a))。 SAF表现出卓越的机械韧性。压缩测试表明，ANF的引入显著提升压缩应力，SAF-2A4F在60%应变下应力达71.39 kPa，且能完全回弹。循环测试中，材料经100次压缩后性能稳定，并能支撑2100倍自重负载。图3(a-f)详细记录了SAF的压缩-回弹曲线：ANF膜通过纳米纤维滑移和氢键断裂吸收能量，使能量耗散提升12.5倍。图3(g)对比显示，SAF在等效隔热性能下压缩应力显著高于其它气凝胶材料。 图 3. SAF的压缩-回弹应力-应变曲线及机械性能：(a-c) SAF-0A4F、SAF-2A4F和SAF-4A4F在20%、40%和60%应变下的压缩-回弹曲线；(d-e) SAF-0A4F和SAF-2A4F在200克负载下持续2小时的恢复性能；(f) SAF-2A4F的1次、50次和100次压缩-回弹应力-应变曲线；(g) SAF在60%应变下的压缩应力及热导率与其他气凝胶的对比。 图 4. SAF压缩-回弹机制示意图:(a) SiO2纤维沿压缩方向平行排列形成承载柱；(b) 微米级SiO2纤维缠结形成的孔隙结构；(c) SiO2纤维连接处的纳米多孔ANF膜；(d) 压缩过程中SiO2纤维结构的演变；(e) 压缩过程中微米级SiO2纤维间孔隙的结构演变；(f) 压缩状态下SiO2纤维连接处的纳米多孔ANF膜；(g) 通过ANF膜变形增强纤维框架的能量耗散机制。 SAF的机械韧性源于其层次结构设计。本研究通过原位电镜表征了压缩过程中SAF骨架结构演变过程。如图4所示，SiO2纤维沿受力方向排列形成承载柱，微米级孔隙提供变形空间(图4(a-b))，并且ANF膜在纤维交界处作为铰链式连接点(图4(c))。压缩过程中，纠缠的SiO2纤维发生屈曲变型(图4(c-d))，而且ANF膜内的纳米纤维通过滑移和氢键断裂吸收能量，从而确保了材料在大应变条件下的强度。 本研究通过分级多孔设计，成功解决了气凝胶材料隔热与机械性能之间的权衡问题。气相二氧化硅纳米孔隙的Knudsen效应将气相导热系数抑制90%，而ANF增强的纤维框架提供了高机械韧性。未来，该制备策略可扩展至其他多孔材料体系，推动高性能隔热材料的产业化应用。
作者：吴琼，杨孟孟，刘晨晗* 等
单位：南京师范大学、池州学院、航天材料及工艺研究所先进功能复合材料实验室、中材国际智能技术有限公司、淮北矿业绿色化工新材料研究院
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer
.2025.128039
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