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2026-10-21

Nature Communications|折纸启发折叠互锁纳米纤维气凝胶,兼顾高强力学与隔热性能

我们见过折纸千变万化的造型,但你有没有想过:古老的折纸手艺,居然可以解决航空航天隔热材料的老大难问题? 

极端环境下的隔热气凝胶一直面临一个两难困境:想要导热低、隔热好,材料往往脆、容易层间剥离坏掉;如果强化力学性能,又会牺牲隔热能力。传统层状纳米纤维气凝胶,层与层之间结合薄弱,受力就分层开裂;而高强度版本又回弹性差,反复挤压就永久变形。广西大学团队从折纸工艺获取灵感,造出折叠互锁型纳米纤维气凝胶O-PAN/BCs,把“抗造耐变形”和“优异隔热”两大矛盾性能同时拿捏住(https://doi.org/10.1038/s41467-026-78659-7)。
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02
让气凝胶拥有“弹簧骨骼”

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普通气凝胶一压就碎,这款新材料的核心秘密,就是折纸互锁骨架+细菌纤维素层间网络的双重设计。 

研究先制备氧化静电纺PAN纳米纤维膜,把两张薄膜模仿折纸弹簧,互相穿插折叠咬合,搭建三维互锁骨架;再将细菌纤维素(BC)通过真空浸渍灌入层间缝隙,定向冷冻干燥之后,BC纤维就在折叠夹层中生成连续多孔网络,依靠氢键把所有折叠单元牢牢“缝合”在一起。 

这套结构带来非常神奇的力学表现:拉伸时发生拉伸-扭转耦合效应,材料拉长的同时整体旋转,配合层间纤维增韧,可以承受40%拉伸应变才发生层间破坏;压缩80%应变时抗压强度高达548.02kPa,泊松比近乎为零,压缩几乎不会发生横向胀缩。

经过1000次循环压缩测试,仅仅产生12.92%的塑性变形,在-50℃~200℃宽温度区间力学性能稳定。简单来说:压得狠、拉得开,反复折腾不易坏,尺寸稳定性拉满。

03
会主动“分流热量”的各向异性隔热材料

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力学只是基础,它的隔热逻辑同样巧妙,不只是依靠多孔困住空气,而是主动改变热量传播路径。 

夹层内部的细菌纤维素多孔网络充当“热量分流器”:热量沿着厚度方向传入时,层间连续纤维引导大量热量向侧面横向扩散,削弱垂直方向的热穿透。当BC浓度为0.2wt%时,轴向热导率低至0.035W·m⁻¹·K⁻¹,各向异性因子1.74,热量优先横向散开,而不是直接穿透材料。 

对比棉花、聚氨酯泡沫同等条件测试,它冷热两端温差更大;酒精灯火焰灼烧实验,热面温度306℃,冷面仅136℃,上方鲜花只出现轻微炭化。即便200℃高温老化48小时,热导率仅小幅上涨,依旧维持可靠隔热能力。

区别于普通随机纤维气凝胶,它依靠折纸宏观构型+层间微网络协同,破解“高强与低导热不可兼得”的痛点,面向航空航天等严苛工况热防护场景。

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图1:折叠互锁型O-PAN/BCs的制备策略与结构表征

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图2:折叠互锁型O-PAN/BCs的结构前提与轴向运动特性

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图3:O-PAN/BCs的力学鲁棒性、超弹性及动态力学稳定性

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图4:O-PAN/BCs的热稳定性、隔热性能及传热机制

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