背景介绍
全球气候变化与极端天气频发，建筑能耗持续攀升，高效热管理材料成为减排刚需。气凝胶因轻质、高孔隙、低导热而极具潜力，但传统气凝胶存在本征脆性、力学性能差、制备能耗高等瓶颈，难以兼顾高效隔热与高弹性。借鉴骆驼毛分级多孔与卷曲结构的仿生策略，成为突破其性能局限的关键方向。
研究成果
近日，东华大学丁彬教授、王赛博士 团队提出仿骆驼毛层级结构 + 3D 直写静电纺丝创新策略，一步制备出聚甲基丙烯酸甲酯 / 氟化聚氨酯（PMMA/FPU）微纳米纤维超气凝胶（MNFA）。通过调控高湿度下非溶剂诱导相分离动力学，原位构建卷曲褶皱纤维与互穿层级多孔网络，实现隔热性能与超弹性的协同突破。核心性能优势显著：隔热性能方面，孔隙率高达 99.8%，密度仅 2.3 mg cm⁻³，热导率低至 23.5 mW m⁻¹ K⁻¹，隔热效果优于商用 PU、PE、PS 泡沫与羽绒；力学性能方面，可拉伸至 50% 应变完全恢复，40% 应变拉伸 1000 次无塑性形变，60% 应变压缩 1000 次、10 万次疲劳循环仍保持稳定，回弹速度达 860 mm s⁻¹，-196℃液氮环境下仍保持超弹性；多功能集成方面，水接触角 153.5° 超疏水，兼具高透气透湿性、阻燃性，可 180° 弯曲与大角度扭转。该方法工艺简单、可连续规模化制备，为节能建筑、极端环境隔热、柔性穿戴提供全新解决方案，相关研究成果以 “Bio-inspired hierarchical meta-aerogel for scalable and efficient thermal insulation” 为题，发表于《Materials Science & Engineering R》。
图文速览
图 1. 气凝胶设计原理与微观结构表征。(a) 骆驼昼夜体温维持机制示意图；(b) 节能应用用多功能微纳米纤维气凝胶（MNFA）示意图；(c) 3D 直接静电纺丝制备 MNFA 流程；(d-e) 不同放大倍数下 MNFA 微观结构；(f) MNFA 规模化制备实物图；(g) MNFA 超轻特性演示；(h) MNFA 承受 500 g 载荷拉伸与压缩状态；(i) MNFA 用于人体手臂与房屋模型隔热演示。 图 2. 分级结构构建与湿度调控机制。(a-c) 相对湿度 35% 下纤维组装体 SEM 与 AFM 图；(d-f) 相对湿度 95% 下纤维组装体 SEM 与 AFM 图（插图为样品厚度）；(g) 高湿度下蓬松纤维组装体与气凝胶纤维形成机理；(h) PMMA-DMF-H₂O 与 FPU-DMF-H₂O 体系三元相图；(i) 不同湿度下样品孔隙率、体积密度与卷曲率；(j) 氮气吸附 - 脱附等温线与孔径分布；(k) 不同湿度下样品导热系数与热阻。 图 3. 气凝胶力学性能分析。(a) 不同拉伸应变下应力 - 应变曲线；(b) 40% 应变下 1000 次拉伸循环曲线；(c) 不同压缩应变下应力 - 应变曲线；(d) 60% 应变下 1000 次压缩循环曲线；(e) 单纤维压缩行为模拟；(f) 模量与阻尼比随频率变化曲线；(g) 10 万次压缩循环抗疲劳性能；(h) 与已报道弹性气凝胶应力保持率对比；(i) 钢球回弹演示气凝胶弹性；(j) 液氮（-196 ℃）下 MNFA 压缩与释放过程；(k) 超低温下压缩循环后原位 SEM 图。 图 4. 多功能隔热气凝胶性能与应用。(a) MNFA 表面纤维突起侧视 SEM 图（插图为超疏水特性）；(b) 各类液滴在 MNFA 表面状态；(c) 透气性演示；(d) 透湿性演示；(e) 阻燃性能测试；(f) 不同气凝胶密度与导热系数对比；(g) 低温下 MNFA 与传统隔热材料实时温度曲线；(h) 气凝胶纤维隔热机理与传热模拟；(i) MNFA 用于房屋隔热应用；(j) MNFA 用于人体保暖服饰应用。
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