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2026-10-21

隔热气凝胶不是纤维越多越好。折纸骨架要留出变形空间

往气凝胶里再加一些纤维,把松散的层间接牢,这个思路很好理解。可如果骨架本来就需要靠折叠、弯曲和扭转来承受形变,连接加到什么程度,该停下来?

广西大学团队在 Nature Communications 报道了一种折叠互锁纳米纤维气凝胶。论文里有个值得先放在一起看的反差:细菌纤维素最多的样品,层间抗剥离能力最强;最高压缩应力却出现在添加最少的样品上,而后续循环测试和最低轴向导热率,又落在中间配比。

这些数字没有排成一条“加得越多,性能越好”的直线。我们不妨沿着这个分岔往下读:连接网络到底帮了什么,又在哪些地方开始妨碍骨架运动?

两片膜先互锁,再把层间接起来

这里的折纸不是把一整块气凝胶拿来折。研究者先将PAN纳米纤维膜在空气中以260°C氧化1.5 h,得到氧化PAN,也就是O-PAN膜;两片等尺寸膜折叠互锁,搭出类似弹簧的骨架。随后用细菌纤维素(BC)分散液真空浸渍,在−80°C下定向冻结,再冻干24 h。BC进入层间,形成跨层连接及孔网络。

两片膜负责搭起可以运动的几何结构,BC负责把层间连接补上。两者的职责并不相同,定向冻铸也参与了孔结构形成,不能把后面的结果全算在一个折纸图案头上。

论文用0.1、0.2、0.3和0.4 wt%的BC分散液制备四组样品,依次记作O-PAN/BCs-1至-4。下文沿用BCs-1等简称。这里的浓度是加工时分散液的浓度,不是最终气凝胶中BC的质量分数;材料也不是全碳气凝胶。

图1:互锁骨架与层间连接的构建

图1怎么看:原文Fig.1(主文第3页)给出折叠互锁、浸渍与定向冻铸过程,以及层间形貌和组成表征。先分清两片膜搭出的骨架与BC桥接网络;其中单片简化示意不等于完整互锁结构。

把剥离做强,为什么没有一路改善回弹?

BC增加确实带来了好处。BCs-4的最大层间剥离强度达到3.38 kPa,作者将抗分层能力与跨层纤维在拉伸、扭转过程中的耗能联系起来。四组骨架发生层间剥离时,最大轴向拉伸应变都接近40%。

但膜有多能拉,与折叠骨架能伸多长,是两回事。主文还报告了BCs-4膜的14.37 MPa拉伸强度和超过10%的断裂伸长,不能把这组膜测试与骨架约40%的轴向形变拼在一起,当成纤维本身的延展率。

骨架受压时也不只是层层靠近。轴向位移伴随扭转,拉伸和压缩时旋转方向相反,折面同时发生面内拉伸与面外弯曲。在0–80%轴向压缩范围内,作者报告横向应变最低约−4%,加载和卸载时泊松比接近零,约为−0.05。换句话说,它能沿轴向明显压缩,却没有随之大幅向两边鼓开。

近零泊松比描述的是这一次轴向运动的横向响应,不是说材料没有形变,更不是任意方向都尺寸不变。

图2:层间剥离、孔结构与伸扭运动

图2怎么看:原文Fig.2(主文第5页)把孔表征、膜拉伸、层间剥离和轴向运动放在一张图中。围绕本节先看e的层间剥离,再看f–i的伸扭与横向响应;d的膜拉伸不是同一种测试,b、c的孔测量留待后文理解热传递。

编辑判断:BC不是单纯的“加固剂”。它一面用跨层连接抵抗分层,一面也可能限制折角变化和折面弯曲。判断配比是否合适,要把连接强度与运动自由度放在一起看,而不是只挑最大剥离强度。

压缩结果让这层取舍更清楚:BCs-1在80%压缩下达到548.02 kPa;主文同时报告,BC增多后,60%压缩应变下的应力降低。作者认为,过量BC填充会约束折角演化及折面弯曲,增加摩擦耗散。连接变多,没有自动变成更合适的弹性支撑。

用于后续循环的是BCs-2,因为它的滞回和能量损耗最小。原位电镜在50%压缩及恢复过程中观察到折角和形貌大体回归,为骨架能够恢复提供了形貌层面的支持。

循环测试没有把所有“最好”都装进同一个数字里:BCs-2在20%应变下循环1000次后,塑性形变为12.92%,最大应力和杨氏模量分别保留78.26%与44.65%。它能够循环承受压缩,同时也留下了永久形变和模量衰减。

图3:单次承载与循环恢复的不同答案

图3怎么看:原文Fig.3(主文第7页)中,a的BCs-1高应变压缩与d–f的BCs-2循环不是同一组样品、同一载荷;结合f、g观察恢复过程。i的动态力学扫温另有用途,不能替代长时间热老化结果。

编辑判断:548.02 kPa和1000次循环各自有意义,但前者属于BCs-1的80%压缩,后者属于BCs-2的20%应变。把它们写成“高强度下千次无损回弹”,恰好会抹掉这篇论文最值得读的配比选择。恢复性也不是只看外形回去了没有,模量保留情况同样在回答问题。

导热率的最低点,也在中间

25°C下,BCs-2的轴向导热率为0.035 W m⁻¹ K⁻¹,低于BCs-1的0.042 W m⁻¹ K⁻¹,也低于BCs-4的0.043 W m⁻¹ K⁻¹。轴向是本文关注的使用方向;0.035不是一个脱离方向和温度的材料标签。

热为什么没有随着纤维增多一路变慢?作者的解释同时涉及孔和固相网络:BC太少,较大的孔对气相导热抑制不足;BC过多,又伴随密度增加、固相导热增强以及层间结构紧密化。对于这套结构,填充既改变孔,也改变热能够沿着哪些实体路径走。

读孔结构时还得停一下。氮气吸附与BJH分析给出的平均介孔尺度是8.74–24.24 nm,看起来很容易让人想到“纳米孔隔热”。但BCs-2压汞测得的孔喉分布主峰约为0.83 µm,主文估算微孔与介孔只占总孔容约0.46%,整体孔体积仍由大孔主导。介孔尺度、孔喉尺度和折叠单元的空隙,不是在测同一个对象。单靠前面那组纳米数值,解释不了整块气凝胶的热传递。

还有一条方向上的线索:BCs-2的径向/轴向导热率比为1.74。它并不是所有方向都同样难导热,径向反而更容易传热。作者用简化二维模拟支持这样一种解释:热在层间更容易横向摊开,轴向穿透被延迟。低轴向导热与横向热扩散,在这里可以同时出现。

图4:配比、方向与隔热演示

图4怎么看:原文Fig.4(主文第8页)先用e、f看导热率随配比及方向的变化,再用g、h理解二维热传递模拟,最后回看b–d的热板和酒精灯演示。模拟、导热率与表面温度各有自己的证据用途,不互相替代。

编辑判断:这里改变的,不只是孔有多小,而是层间连接、骨架运动和热流方向之间的搭配。力学与热学结果都让BCs-2显得值得关注,但浓度变化还同时牵动密度、孔和约束程度;这仍是该体系中的设计窗口,不是一条已经独立证明、可以套用到所有气凝胶的最佳浓度规律。

热板上的温差,走到长期使用还有多远

论文提供了同厚度对照:5 mm样品放在120°C热板上,O-PAN/BCs冷面与热板的稳态温差为57.7°C,PU泡沫和棉分别为34.1°C与43.8°C。这个实验让隔热作用有了直观参照,而且保留了比较所需的厚度与热源条件。

酒精灯演示更抓眼球。20 min后,主文报告热面306°C、冷面136°C、花心56.3°C。三个温度对应三个位置,不能把花心温度当成材料冷面温度,也不能把前一个热板实验的5 mm条件直接搬过来。花受到保护的画面说明了局部热保护效果,并不直接给出耐火等级或长期服役温度。

比演示更值得留到结尾的,是主文报告的老化变化。BCs-2在200°C空气中老化48 h后,轴向导热率从0.035升至0.039 W m⁻¹ K⁻¹,径向/轴向比从1.74降至1.39,体积保留93.06%。作者将这些变化与BC富集层间网络的部分热老化联系起来。连接层不仅在压缩时承担作用,也会在持续热暴露后发生变化。

编辑判断:热板对照回答隔热表现,酒精灯回答一个有限时间内的局部保护,48 h老化才开始接近持续热暴露的问题。它们合在一起,比单张热像更有信息;离多年寿命、热冲击和复杂工况,却仍有距离。二维模拟也不能补上这些服役证据。

回到开头那个“还要不要多加一点纤维”的问题,这项工作的启发不是少加就一定好,而是要先认清骨架靠什么工作。需要弯折和扭转的结构,连接太弱会分层,连接带来的约束过强又会影响运动;热传递同样不能只盯着一个孔径或一个方向。

把最强、最弹、最隔热拆开,才看得到设计空间。至于如何把两片膜的互锁、浸渍和冻铸稳定地放大,文章提出了卷对卷与自动折叠的展望,尚未给出量产产线。留出变形空间是这套骨架的设计线索,不是工程落地已经完成的证明。

论文信息

英文题名:Origami-inspired folded-interlocked nanofiber aerogels for thermal insulation

作者:Xuanyu Chen;Yuan Zhao;Zhijun Zhang;Chi Hu;Shuangfei Wang;Chongxing Huang。

通讯作者:Chongxing Huang。

机构:广西大学轻工与食品工程学院;广西清洁制浆造纸与污染控制重点实验室(机构英文名称见原文)。

期刊:Nature Communications;在线发表:2026年10月14日。

DOI:10.1038/s41467-026-78659-7

出版社原文:https://www.nature.com/articles/s41467-026-78659-7

版本:Article in Press,后续可能由最终编辑版替换。

来源与许可:主文Fig.1–4;CC BY-NC-ND 4.0。开放可读不等于获得商业用途或改编图分享授权,相关使用须遵守许可。

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