气凝胶因其轻质多孔的结构特征，在航空航天、深海等极端环境热防护领域具有广阔应用前景。然而，实际服役不仅要求材料具备优异的热绝缘性能，还要求其在复杂机械载荷下保持结构完整。传统气凝胶骨架的本征脆性限制了其应用；纳米纤维气凝胶（NFAs）虽可利用纤维柔性提高力学性能，但基于一维纤维重构的网络通常依赖纤维间点接触和弱搭接，载荷传递效率有限；直接三维构筑的纤维网络又往往含有大量大孔，不利于抑制气相传热。近年来，由二维纤维膜堆叠形成的层状纳米纤维气凝胶在强度和各向异性隔热方面展现出优势，但其层间空隙调控不足、界面结合薄弱，易在复杂载荷下发生分层失效。如何协同调控宏观构型与层间结构，实现力学稳健性、可恢复变形及低热导率的统一，仍是该领域面临的重要挑战。
针对上述问题，广西大学黄崇杏教授团队提出一种折纸启发的结构工程策略，将折叠互锁的折纸弹簧骨架与定向构筑的层间纤维网络相结合，制备了折叠互锁纳米纤维气凝胶（O-PAN/BCs）。这一多尺度结构通过互锁几何约束和纤维介导的层间增韧改善材料的力学可靠性，同时利用层间网络调节热流传递路径。所得气凝胶在80%压缩应变下的压缩应力达到548.02 kPa，表现出近零泊松比；层间分层前可承受约40%的轴向拉伸应变，最低轴向热导率为0.035 W·m⁻¹·K⁻¹，展示出高承载与各向异性热绝缘的综合性能。
2026年10月14日，相关成果以“Origami-inspired folded-interlocked nanofiber aerogels for thermal insulation”为题发表于《Nature Communications》。博士生陈泫宇为第一作者，黄崇杏教授为该论文的通讯作者，广西大学为第一单位。
1.折叠互锁骨架的组装与结构表征
研究人员以静电纺丝聚丙烯腈（PAN）纳米纤维膜为基础，经预氧化获得可折叠的O-PAN纤维膜，将两片膜折叠并相互穿插，组装成折纸弹簧状的三维互锁骨架。随后引入细菌纤维素（BC）纳米纤维，通过真空浸渍、定向冷冻和冻干，在折叠层间形成连续多孔的纤维网络。该材料兼具折叠互锁的宏观构型与可调控的层间微结构。所得气凝胶呈现周期性折叠的层状结构，由自由侧、铰链侧及层间BC网络层等区域组成。扫描电子显微镜（SEM）显示，BC纳米纤维在相邻O-PAN层之间形成相互交织的多孔骨架；将BC分散液浓度由0.1 wt%提高至0.4 wt%，层间结构逐渐由疏松多孔转变为更致密的纤维堆积。其中O-PAN/BCs-2的密度为0.149 g·cm⁻³，可放置于三角梅花瓣上而不引起明显形变。
图1. 折叠互锁O-PAN/BCs的构筑流程及层间微观结构。
2.结构主导的轴向运动学行为
该材料具有结构主导的轴向运动学性质。自然状态下，层间BC纤维网络能够桥接相邻纤维层并抑制折纸弹簧的自然展开。拉伸运动时，随着BC含量提高，材料的拉伸强度与层间剥离强度均明显增加。O-PAN/BCs-4的极限拉伸强度达到14.37 MPa，层间剥离强度达到3.38 kPa；层间分层测试表明，各样品在接近40%的轴向拉伸应变时才发生分层失效。
轴向拉伸过程中，材料并非发生简单的层间滑移，而是表现出显著的拉伸—扭转耦合：折叠互锁构型产生整体扭转，层间BC纳米纤维在变形中发挥桥接和增韧作用，通过纤维的拉伸、扭转耗散能量并抑制裂纹扩展。折叠面的面内拉伸、面外弯曲与整体扭转共同决定了材料整体的轴向变形行为。此外，材料在0—80%压缩应变范围内保持近零泊松比（ν≈−0.05），轴向受压时横向尺寸变化较小，呈现出类似力学超材料的变形特征。
图2. 层间增韧、拉伸—扭转耦合与近零泊松比响应。
3.机械强度、超弹性与动态稳定性
折叠互锁构型赋予气凝胶出色的压缩承载能力。O-PAN/BCs-1在80%压缩应变下的压缩应力达到548.02 kPa；优化后的O-PAN/BCs-2在20%压缩应变下经历1000次加载—卸载循环后，塑性变形为12.92%，最大应力保持率为78.26%。落锤冲击测试也显示，相较于普通层状堆叠对照样品，折叠互锁材料在相同名义冲击能量下未发生贯穿，峰值冲击力降低约31%，力响应持续时间延长约22%。
原位SEM观察表明，压缩时折叠角减小、相邻折叠面协同变形，卸载后折叠角及局部形貌基本恢复；面片弯曲、面内拉伸与折叠角的可逆变化共同构成弹性能量储存和释放的结构基础。动态力学分析进一步表明，O-PAN/BCs-2在−50至200 ℃的测试温度范围内，储能模量、损耗模量和阻尼比整体变化较小，显示出较为稳定的宽温域动态力学响应。
图3. 压缩承载、循环稳定性与可恢复变形机制。
4.各向异性隔热与热防护表现
在热学性能方面，O-PAN/BCs同样展现出突出优势。层间BC网络的结构变化进一步影响气凝胶的各向异性热传导性能，当BC分散液浓度为0.2 wt%时，O-PAN/BCs-2的轴向热导率低至0.035 W·m⁻¹·K⁻¹，径向与轴向热导率之比（各向异性因子）达到1.74。层间多孔纤维网络有助于调节孔隙结构、抑制气相传热，并促进热流沿径向重新分布，从而降低轴向传热。
在120 ℃热台测试中，厚度5 mm的O-PAN/BCs样品与热台之间的稳态温差达到57.7 ℃，优于同条件下的商业聚氨酯泡沫（34.1 ℃）和棉（43.8 ℃）。在持续20 min的火焰防护演示中，材料热侧温度达到306 ℃时，冷侧温度为136 ℃，上方花朵中心温度为56.3 ℃。
论文结合传热模拟指出，层间BC网络可通过孔隙与界面调控抑制气相热传导，同时引导更多热流沿径向扩散，延缓其沿轴向穿透。在空气中经过200 ℃、48 h热老化后，O-PAN/BCs-2的轴向热导率由0.035增至0.039 W·m⁻¹·K⁻¹，各向异性因子由1.74降至1.39，体积保持率为93.06%，表明其在长时间热暴露后仍能维持热阻隔性能。
图4. 隔热测试、各向异性热导率及层间传热机制
综上，该研究将折叠互锁折纸骨架与定向冷冻构筑的层间BC网络相结合，通过互锁几何约束与纤维介导的层间增韧实现高强度、超弹性、近零泊松比与抗分层性能，并利用层间热流重定向获得低轴向热导率和显著的各向异性隔热效果。该工作为航空航天、精密器件及高温制造等苛刻环境中的热防护材料提供了新的结构工程策略。论文同时指出，这一构筑方法有望扩展至其他纤维体系，并为卷对卷纤维膜制造与自动折叠等规模化工艺提供研究方向。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-026-78659-7
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