社会发展加速化石资源消耗，全球变暖问题加剧，建筑冷暖能耗是温室气体排放与能源消耗的重要来源，亟需高效隔热材料实现建筑节能；传统石油基隔热材料（聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫）不可生物降解且高度易燃，难以满足可持续建筑应用需求；生物基气凝胶因可再生、可生物降解成为理想替代材料，其中甲壳素 / 壳聚糖是储量第二丰富的生物聚合物，源自水产加工副产物，契合绿色发展理念，但现有生物基气凝胶抗压强度普遍低于 0.5 MPa，力学性能不及传统硬质泡沫，且易燃问题始终未解决，虽添加无机填料可同步增强力学与阻燃性能，但过量填料会导致气凝胶脆性增加、强度下降，同时现有仿生矿化材料的高温耐火与隔热性能仍需提升，开发集高强度、耐火、超隔热于一体的生物基气凝胶极具挑战。

作者以甲壳素微纳米纤维与壳聚糖构建气凝胶骨架，受天然硅化木矿化过程启发，采用硅酸钠与硼砂混合溶液对骨架进行真空浸渍，经冷冻干燥、热交联制备仿生硅矿化气凝胶，系统研究材料的微观结构、力学强度、能量吸收、耐火性能、高温隔热性能及生物降解性，揭示硼硅协同矿化的增强与阻燃机制，验证材料在建筑、新能源、轨道交通等领域的应用潜力。

（1）实验药品包括蟹壳、壳聚糖、硼砂、盐酸、氢氧化钠、乙醇、硅酸钠、冰醋酸、甲基三甲氧基硅烷。

（2）实验步骤：🌿首先将蟹壳用去离子水冲洗，经盐酸处理去除碳酸钙、氢氧化钠溶液去除蛋白、乙醇漂白后，分散于醋酸溶液中高速搅拌，制得甲壳素微纳米纤维分散液；🌿接着将壳聚糖、冰醋酸与甲壳素微纳米纤维分散液充分混合得到混合液，注入模具后经液氮定向冷冻、冷冻干燥，制得甲壳素 / 壳聚糖原始气凝胶；🌿随后将原始气凝胶在真空下用硅酸钠与硼砂混合溶液浸渍 12 小时，经冷冻干燥后，置于 80℃烘箱热交联 6 小时，得到仿生硅矿化气凝胶；🌿最后通过化学气相沉积法，将气凝胶与甲基三甲氧基硅烷、水在真空密封容器中 60℃反应 12 小时，制备疏水改性气凝胶。

（3）测试表征方法：采用透射电子显微镜观察甲壳素纤维形貌，X 射线衍射、红外光谱、X 射线光电子能谱分析材料化学结构，场发射扫描电子显微镜与能谱表征微观形貌与元素分布，万能试验机测试抗压、抗弯力学性能与能量吸收，氧指数仪、垂直燃烧仪、锥形量热仪评估耐火性能，热重 - 红外联用分析阻燃机理，红外热成像仪监测高温隔热温度，接触角测量仪测试疏水性，土壤掩埋实验评价生物降解性。

Question: 各个组分的作用是 ？🍁甲壳素微纳米纤维：作为气凝胶的支撑骨架，维持孔壁结构稳定，防止浸渍过程中骨架坍塌，为材料提供基础力学支撑；🍁壳聚糖：作为粘结剂，将甲壳素微纳米纤维紧密结合，构建完整的气凝胶三维网络结构；🍁硅酸钠：经矿化后在骨架表面沉积纳米二氧化硅，增厚孔壁、形成无机防护层，提升力学强度与耐火性；🍁硼砂：与硅、碳形成多重交联结构，协同增强力学性能，催化气凝胶成炭，抑制阴燃，大幅提升耐火性能。 

图 1 的小标题为天然硅化木形成过程、SiB@CC 气凝胶制备流程、材料可定制化形貌、耐火隔热性能及与其他材料性能对比示意图，其中 a 图展示天然木材经硅酸盐渗透矿化形成硅化木的过程，b 图呈现 SiB@CC 气凝胶从纤维制备、骨架构建、矿化浸渍到热交联的制备流程，c 图为 SiB@CC 气凝胶规模化制备与定制化形状实物图，d 图是气凝胶耐火与超隔热性能实物图，e 图为材料抗压强度与氧指数和其他材料对比柱状图。

图 1 系统展示了研究的仿生来源、制备逻辑、材料外观与核心性能优势。a 图还原天然硅化木的矿化路径，为仿生策略提供自然原型；b 图明确 SiB@CC 气凝胶以甲壳素微纳米纤维为骨架、壳聚糖为粘结剂，经硅硼矿化、冷冻干燥、热交联的全制备流程；c 图证明材料可实现大尺寸、多形状定制，具备工业化生产潜力；d 图直观呈现材料不可引燃、高温隔热的特性；e 图数据显示，该气凝胶抗压强度与极限氧指数远超传统生物基气凝胶、聚合物 / 粘土气凝胶与阻燃聚氨酯泡沫，性能优势显著。

图 2 的小标题为甲壳素微纳米纤维形貌与晶体结构、材料化学结构表征、气凝胶微观形貌与元素分布、孔壁尺寸分布，其中 a 图是甲壳素微纳米纤维透射电镜图，b 图为纤维 X 射线衍射与选区电子衍射图，c 图是纤维与气凝胶红外光谱图，d 图为气凝胶高分辨 X 射线光电子能谱 B1s 图，e 图是原始与矿化气凝胶扫描电镜图，f 图为矿化气凝胶元素面扫图，g 图是不同气凝胶孔壁尺寸分布图。

图 2 从微观结构与化学层面验证材料成功制备。a 图显示甲壳素微纳米纤维直径 10-40 nm、长度超 30 μm，多级纤维结构清晰；b 图 XRD 与 SAED 证实纤维为 α- 甲壳素标准晶体结构；c 图红外光谱检测到 Si-O-Si、Si-O-C、B-O-Si 等特征峰，证明硅硼成功接枝；d 图 XPS B1s 分峰确认 B-O-Si 与 B-O-C 化学键存在，比例 1:0.56；e 图 SEM 显示原始气凝胶孔壁纤维分布均匀，矿化后孔壁增厚、孔隙填充；f 图 EDS 面扫证明 Si、B 元素均匀分布；g 图孔壁尺寸统计显示随硅酸钠浓度提升，孔壁逐渐增厚，结构更致密。

图 3 的小标题为气凝胶轴向力学应力 - 应变曲线、抗压强度与模量、硼砂对力学性能影响、能量吸收分析、可视化承重测试、能量吸收效率对比，其中 a 图是原始与矿化气凝胶轴向应力 - 应变曲线，b 图为抗压强度与模量随硅酸钠浓度变化曲线，c 图是有无硼砂气凝胶抗压强度对比，d 图为最优样品应力 - 应变与能量吸收分析，e 图是单位体积能量吸收与比能量吸收，f 图为气凝胶可视化承重实物图，g 图是承重测试前后尺寸对比，h 图为能量吸收效率与密度关系对比。

图 3 全面解析材料力学与能量吸收性能。a、b 图显示随硅酸钠浓度升高，抗压强度与模量持续提升，SiB@CC-25 抗压强度达 2.25 MPa、模量 26.29 MPa，较原始气凝胶分别提升 1945%、852%，远高于国标 0.18 MPa 要求；c 图证实硼砂可进一步提升抗压强度；d 图最优样品呈现经典泡沫力学行为，屈服强度 2.35 MPa，致密化应变 59%；e 图单位体积能量吸收达 1.18 MJ m⁻³，为原始气凝胶的 1311%，比能量吸收最高 4.64 kJ kg⁻¹；f、g 图可视化测试证明 6 块小尺寸气凝胶可承重 290 kg，相当于自身重量 81000 倍；h 图显示能量吸收效率 49.27%-54.24%，优于多数聚合物、金属与陶瓷。

图 4 的小标题为气凝胶垂直燃烧行为、丁烷火焰燃烧测试、氧指数与 UL-94 等级、锥形量热燃烧参数、阻燃性能对比，其中 a、b 图是原始与矿化气凝胶垂直燃烧快照，c 图为矿化气凝胶丁烷火焰燃烧实物图，d 图是氧指数与 UL-94 等级，e、f、g 图为热释放速率、总热释放、一氧化碳生成曲线，h 图是火灾生长指数与火灾性能指数，i 图为与其他气凝胶阻燃性能对比。

图 4 系统评估材料耐火安全性能。a、b 图垂直燃烧显示原始气凝胶快速燃烧，矿化气凝胶两次点火后自熄，达 UL-94 V-0 级；c 图丁烷火焰下材料不可引燃；d 图 SiB@CC-5 氧指数 53.6%，SiB@CC-15 及以上超 90%，具备完全不燃性；e-g 图锥形量热显示原始气凝胶点火时间仅 2 s，峰值热释放 273.5 kW m⁻²，SiB@CC-25 无法被引燃，峰值热释放降至 9.4 kW m⁻²，降幅 96%，总产烟量降 86%，一氧化碳几乎无释放；h 图火灾生长指数降 99%，火灾性能指数无限大；i 图对比显示材料在氧指数、点火时间延长、峰值热释放降低方面全面领先同类气凝胶。

图 5 的小标题为热重 - 红外气态产物分析、燃烧残炭形貌与元素分布、残炭承重性能、阻燃机理示意图，其中 a、b、c 图是三种气凝胶热重 - 红外气态产物图谱，d 图为燃烧残炭扫描电镜图，e 图是残炭元素面扫，f 图为残炭承重实物图，g 图是残炭 B1s 能谱，h 图为残炭拉曼光谱，i 图是阻燃机理示意图。

图 5 揭示材料阻燃机理。a-c 图 TG-IR 显示原始气凝胶热解释放水、二氧化碳、可燃挥发分，矿化气凝胶仅少量二氧化碳释放，可燃产物几乎消失；d、e 图残炭 SEM 与 EDS 显示原始气凝胶残炭疏松，矿化气凝胶残炭致密完整，Si、B 元素均匀分布；f 图 16 cm² 残炭可承重 4.4 kg，抗压强度 0.22 MPa，满足国标；g、h 图 XPS 与拉曼证实硼硅强化无机杂化网络，催化基体石墨化成炭；i 图总结机理：高温下形成致密无机陶瓷化炭层，阻隔热量、氧气与可燃挥发分，实现高效阻燃。

图 6 的小标题为丁烷火焰下高温隔热性能、与商用泡沫防火对比、疏水性与抗污性、生物降解性、综合性能对比，其中 a 图是丁烷火焰下背面温度变化与燃烧后形貌，b、c 图为商用泡沫与气凝胶保护木质模型燃烧对比，d 图是疏水改性前后接触角，e 图为抗污性能测试，f 图是生物降解过程，g 图为与其他气凝胶综合性能对比。

图 6 验证材料实用化性能。a 图 5 cm 厚气凝胶经 1300℃丁烷火焰灼烧 600 s，背面平均温度仅 130.4℃，最高 231.2℃，表面形成 29-93 μm 无机阻隔层；b、c 图对比商用 B2 级聚氨酯泡沫快速燃烧坍塌，气凝胶保持结构完整，有效保护木质模型；d 图疏水改性后接触角 144.7°，150 天仍达 137.4°；e 图对牛奶、染料、盐溶液具备优异抗污性，可冲洗恢复；f 图土壤掩埋 180 天基本完全降解；g 图综合对比显示材料在力学、耐火、隔热、疏水、降解性上全面优于传统粘土复合气凝胶。

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