中國粉體網(wǎng)訊  在科技飛速發(fā)展的今天，導(dǎo)熱與散熱問題一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)之一。無論是航天器的熱防護(hù)、建筑節(jié)能，還是極端環(huán)境下的設(shè)備保護(hù)，高效隔熱材料的研發(fā)都至關(guān)重要。

近日，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)葉冬冬教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西安交通大學(xué)宋建偉教授團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)朱書澤教授團(tuán)隊(duì)，成功開發(fā)了一種具有“外疏內(nèi)密”梯度納米結(jié)構(gòu)的氣凝膠纖維，為導(dǎo)熱與散熱領(lǐng)域帶來了革命性突破！這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《Nature Communications》上，引發(fā)了廣泛關(guān)注。

傳統(tǒng)氣凝膠的瓶頸：導(dǎo)熱與機(jī)械性能難以兼得

氣凝膠是一種輕質(zhì)納米多孔材料，因其超低密度和高孔隙率（通常>90%），在隔熱領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大潛力。其隔熱原理是通過內(nèi)部豐富的納米孔隙結(jié)構(gòu)，限制空氣分子碰撞、延長熱傳導(dǎo)路徑并增強(qiáng)界面熱阻，從而實(shí)現(xiàn)卓越的隔熱性能。然而，傳統(tǒng)濕法紡絲技術(shù)制備的氣凝膠纖維存在一個(gè)致命缺陷：致密的外層結(jié)構(gòu)顯著降低了高效隔熱納米孔隙的體積占比，導(dǎo)致徑向熱導(dǎo)率較高（0.027-0.5 W/mK），限制了其性能的進(jìn)一步提升。

突破性設(shè)計(jì)：“外疏內(nèi)密”梯度納米結(jié)構(gòu)

為了解決這一難題，葉冬冬教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用了微流控紡絲技術(shù)，精準(zhǔn)調(diào)控微流道內(nèi)溶劑的剪切與擴(kuò)散過程，使凝膠纖維形成“外疏內(nèi)密”的梯度結(jié)構(gòu)。具體來說，纖維的鞘層平均孔徑為150 nm，芯層平均孔徑為600 nm。這種設(shè)計(jì)不僅顯著提升了孔隙率（從98%增至98.6%），還將纖維密度降低至15.7 kg/m³，同時(shí)優(yōu)化了熱傳遞路徑與界面熱阻。

在超臨界干燥過程中，纖維表面的“外疏內(nèi)密”結(jié)構(gòu)發(fā)生反轉(zhuǎn)，最終形成梯度全納米結(jié)構(gòu)的芳綸氣凝膠纖維（GAFs）。實(shí)驗(yàn)表明，這種纖維的徑向熱導(dǎo)率低至0.0228 W/mK，比空氣（0.026 W/mK）還要低，較傳統(tǒng)氣凝膠纖維降低了30%-67%。

熱模擬與梯度全納米結(jié)構(gòu)氣凝膠纖維制備

卓越性能：隔熱與力學(xué)性能的雙重突破

1.隔熱性能：熱阻隔能力顯著提升

研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)與模擬驗(yàn)證了GAFs的卓越隔熱性能。當(dāng)熱臺(tái)設(shè)定為200°C時(shí)，GAFs織物表面溫度僅為190.3°C，較傳統(tǒng)皮芯結(jié)構(gòu)纖維降低了3.2°C。在-30°C至270°C的寬溫域測(cè)試中，0.5 mm厚的GAFs織物可實(shí)現(xiàn)冷/熱端溫差33.4°C/63°C，1 mm厚度的溫差更提升至45.4°C/113°C，性能遠(yuǎn)超PVC、PI等合成纖維及硅基氣凝膠。

梯度全納米結(jié)構(gòu)纖維熱阻隔性能及機(jī)制研究

2.力學(xué)性能：強(qiáng)韌兼?zhèn)?/strong>

除了優(yōu)異的隔熱性能，GAFs的力學(xué)性能也實(shí)現(xiàn)了重大突破。實(shí)驗(yàn)顯示，GAFs的抗拉強(qiáng)度達(dá)29.5 MPa，斷裂伸長率為39.2%，韌性高達(dá)5.7 MJ/m³。相比之下，傳統(tǒng)皮芯結(jié)構(gòu)纖維的韌性僅為1.06 MJ/m³。GAFs在承受50克重量和1000次拉伸循環(huán)后，性能和形貌幾乎不變，展現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性。

梯度全納米結(jié)構(gòu)纖維力學(xué)性能及強(qiáng)韌機(jī)制研究

應(yīng)用前景：從航天熱防護(hù)到智能建筑

這種梯度全納米結(jié)構(gòu)氣凝膠纖維的誕生，為多個(gè)領(lǐng)域提供了革新性解決方案：

1）航天熱防護(hù)：在極端高溫或低溫環(huán)境下，GAFs可有效保護(hù)航天器設(shè)備。

2）建筑節(jié)能：作為高效隔熱材料，GAFs可大幅降低建筑能耗。

3）極端環(huán)境防護(hù)：在極地科考、深海探測(cè)等領(lǐng)域，GAFs可為設(shè)備和人員提供可靠的熱保護(hù)。

參考來源：

高分子科學(xué)前沿，Nature Communications

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57646-4

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）

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