传统气凝胶存在脆性大、难规模化、隔热与力学难以兼顾的瓶颈。本研究受骆驼毛多级孔与卷曲结构启发，通过3D 直写静电纺丝一步制备 PMMA/FPU 卷曲纤维超结构气凝胶（MNFA）。调控湿度诱导非溶剂相分离，形成纤维内部纳米孔 + 网络多级孔 + 表面褶皱的多级结构，实现99.8% 高孔隙率、2.3 mg・cm⁻³ 超轻密度、23.5 mW・m⁻¹・K⁻¹ 超低导热。材料兼具超弹性：50% 拉伸可回复、10 万次压缩抗疲劳、860 mm・s⁻¹ 超快回弹，−196℃仍保持弹性。同时具备超疏水、透气、阻燃等多功能。该工艺无需冷冻干燥 / 超临界干燥，可大面积连续制备，为建筑节能、极端环境隔热与可穿戴保暖提供轻量化、规模化、高性能新材料。

Part 2 创新点

1. 骆驼毛仿生分级结构：首次复刻骆驼毛多孔 + 褶皱 + 卷曲多级架构，隔热与弹性协同。

2. 3D 直写静电纺丝一步法：无需后处理，直接制备蓬松纤维气凝胶，适合工业化量产。

3. 湿度诱导相分离精准调控：高湿环境实现纤维卷曲、内部造孔、表面褶皱同步形成。

4. 超弹性突破：兼具拉伸、压缩、抗疲劳、耐低温，打破传统气凝胶脆性限制。

5. 多功能一体化：超轻、超低导热、超疏水、透气、阻燃，适用多场景。

Part 3 制备流程

1. 纺丝液配制：将 PMMA 与含氟聚氨酯（FPU）溶于 DMF，搅拌均匀，获得静电纺丝前驱液。

2. 3D 直写静电纺丝：① 高精度静电纺丝，调控环境相对湿度（35%–95%）；高湿度下射流快速相分离，形成卷曲褶皱纤维。② 纤维在静电斥力下自组装成 3D 蓬松气凝胶。

3. 结构与性能测试：SEM、AFM、孔隙率、密度、BET、导热系数、拉伸 / 压缩疲劳、回弹速度、低温弹性、疏水、透气、阻燃。

4. 应用演示：建筑隔热、可穿戴保暖、极端低温防护、防水阻燃测试。

图 1 设计原理与微观结构

概要：本图系统展示仿生设计、制备流程、形貌与基础性能。a 骆驼昼夜体温调节机制：白天多孔毛反射阳光、捕获静止空气隔热；夜晚卷曲蓬松结构延长热传导路径，锁温保温。b 仿生气凝胶集隔热、疏水、透气、阻燃于一体，面向节能与热管理应用。c 3D 直写静电纺丝制备流程：聚合物射流在电场下鞭结运动，高湿度下快速相分离，形成卷曲褶皱纤维，自组装成三维网络气凝胶。d–e 多级结构：宏观卷曲纤维互穿网络，纤维表面布满褶皱，内部存在纳米孔。f 材料可大面积连续制备，柔性可卷绕、打结、折叠。g 超轻（2.3 mg・cm⁻³），可置于草穗上不变形。h 0.15 g 气凝胶可提拉 500 g 重物（自重 3300 倍）；0.05 g 可承受 500 g 压缩（自重 10000 倍）并完全回弹。i 人体隔热测试：较棉布温差高 9.2℃；房屋模型隔热：表面温度较商用保温毯低 7.9℃。综合验证仿生设计成功实现轻质、高强、超隔热。

图 2 分级结构构筑与湿度调控

概要：本图揭示湿度对结构与性能的决定性作用。a–c 低湿（35%）：纤维平直光滑、截面致密，堆积成致密薄膜。d–f 高湿（95%）：纤维卷曲、表面褶皱、内部多孔，形成蓬松厚膜。g 高湿机制：水分加速溶剂 - 非溶剂双向扩散，射流快速固化保留卷曲形态；同时相分离形成纤维内部纳米孔。h PMMA-DMF-H₂O 与 FPU-DMF-H₂O 三元相图：纺丝液组成位于均相区，遇水快速越过双结点进入不稳定区，发生相分离。i 湿度升高，密度从 98 降至 2.3 mg・cm⁻³，孔隙率从 83.5% 升至 99.8%，卷曲率达 35%。j N₂吸附证实高湿样品富含介孔（30–50 nm）与大孔（50–130 nm），比表面积显著提升。k 导热系数随湿度升高从 38.9 降至 23.50 mW・m⁻¹・K⁻¹，热阻提升近 3 倍。证明湿度调控实现多级孔与卷曲结构，是高性能核心。

图 3 超弹性与力学性能

概要：本图全面验证气凝胶颠覆性力学性能。a 拉伸 10%–50% 均完全回复。b 40% 应变拉伸 1000 次无塑性形变。c 20%–80% 应变压缩曲线闭合，大形变可恢复。d 60% 应变压缩 1000 次结构稳定。e 有限元模拟：PMMA/FPU 刚 - 柔二元纤维较纯 PMMA 纤维承载更强、韧性更高。f 0.1–10 Hz 宽频域内模量与损耗因子稳定。g 5% 应变压缩 10 万次性能无衰减，抗疲劳极致。h 与文献弹性气凝胶对比，应力保持率与循环寿命领先。i 钢球反弹实验验证 860 mm・s⁻¹ 超快回弹。j −196℃液氮中压缩后快速完全回复。k 低温原位 SEM 显示 10 次压缩后结构完好。证明刚 - 柔组分与卷曲互穿网络赋予全温域超弹性。

图 4 多功能隔热与应用展示

概要：本图呈现多功能与场景化应用。a 表面纤维突起构筑 Cassie 态疏水，接触角 153.5°。b 对水、可乐、牛奶、果汁、染料、茶水、酒水、墨水均排斥不浸润。c 透气测试：气泡快速通过，透气性优异。d 透湿量 3.53 kg・m⁻²・24h⁻¹，优于棉织物。e 阻燃测试：燃烧无熔滴、自熄，具备防火安全。f 密度 - 导热性能图：处于超轻、超低导热区域，领先多数气凝胶。g 液氮极低温下隔热温差 39℃，优于 PU 泡沫。h 纤维内部多级孔抑制气体传导（克努森效应）、降低固体传导、减弱辐射传热，模拟显示明显温度梯度。i 房屋屋顶隔热：60℃加热表面仅 18℃，远优于商用保温毯。j 可穿戴保暖：7 mm 厚气凝胶织物较 10 mm 厚羽绒保暖效果更好，轻量化优势显著。集疏水、透气、阻燃、隔热、超轻于一体，应用前景广阔。

Part 5 全文总结

本研究受骆驼毛多级结构启发，通过湿度调控 3D 直写静电纺丝，一步制备兼具超轻、超低导热、超弹性的仿生纤维气凝胶。材料形成卷曲纤维 + 多级孔 + 表面褶皱的仿生架构，密度仅 2.3 mg・cm⁻³，孔隙率 99.8%，导热系数低至 23.5 mW・m⁻¹・K⁻¹。力学性能突破传统气凝胶瓶颈：50% 拉伸可回复、10 万次压缩抗疲劳、860 mm・s⁻¹ 超快回弹，−196℃仍保持弹性。同时具备超疏水、高透气、阻燃等多功能。制备工艺简单、可规模化连续生产，无需复杂干燥手段。该材料在建筑节能、可穿戴保暖、航空航天与极端环境热防护中表现突出，为高效节能材料提供低成本、高性能、可工业化的全新方案。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2026.101208.

引用：W. Zhang, S. Wang, R. Miao, X. Liu, Y. Zhao, H. Xu, J. Yu, B. Ding, Bio-inspired hierarchical meta-aerogel for scalable and efficient thermal insulation, Materials Science and Engineering: R: Reports 169 (2026) 101208.

免责声明：素材来源于网络，仅供学术交流，侵删。由于小编水平有限，文献解读如有疏漏、错误之处还请各位读者批评指正。如需投稿，请联系我们