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

近日，安徽農業(yè)大學葉冬冬教授團隊聯(lián)合西安交通大學宋建偉教授團隊與浙江大學朱書澤教授團隊，成功開發(fā)了一種具有“外疏內密”梯度納米結構的氣凝膠纖維，為導熱與散熱領域帶來了革命性突破！這項研究成果發(fā)表在《Nature Communications》上，引發(fā)了廣泛關注。

傳統(tǒng)氣凝膠的瓶頸：導熱與機械性能難以兼得

氣凝膠是一種輕質納米多孔材料，因其超低密度和高孔隙率（通常>90%），在隔熱領域表現(xiàn)出巨大潛力。其隔熱原理是通過內部豐富的納米孔隙結構，限制空氣分子碰撞、延長熱傳導路徑并增強界面熱阻，從而實現(xiàn)卓越的隔熱性能。然而，傳統(tǒng)濕法紡絲技術制備的氣凝膠纖維存在一個致命缺陷：致密的外層結構顯著降低了高效隔熱納米孔隙的體積占比，導致徑向熱導率較高（0.027-0.5 W/mK），限制了其性能的進一步提升。

突破性設計：“外疏內密”梯度納米結構

為了解決這一難題，葉冬冬教授團隊創(chuàng)新性地采用了微流控紡絲技術，精準調控微流道內溶劑的剪切與擴散過程，使凝膠纖維形成“外疏內密”的梯度結構。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。這種設計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“外疏內密”結構發(fā)生反轉，最終形成梯度全納米結構的芳綸氣凝膠纖維（GAFs）。實驗表明，這種纖維的徑向熱導率低至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構氣凝膠纖維制備

卓越性能：隔熱與力學性能的雙重突破

1.隔熱性能：熱阻隔能力顯著提升

研究團隊通過實驗與模擬驗證了GAFs的卓越隔熱性能。當熱臺設定為200°C時，GAFs織物表面溫度僅為190.3°C，較傳統(tǒng)皮芯結構纖維降低了3.2°C。在-30°C至270°C的寬溫域測試中，0.5 mm厚的GAFs織物可實現(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，性能遠超PVC、PI等合成纖維及硅基氣凝膠。

梯度全納米結構纖維熱阻隔性能及機制研究

2.力學性能：強韌兼?zhèn)?/strong>

除了優(yōu)異的隔熱性能，GAFs的力學性能也實現(xiàn)了重大突破。實驗顯示，GAFs的抗拉強度達29.5 MPa，斷裂伸長率為39.2%，韌性高達5.7 MJ/m³。相比之下，傳統(tǒng)皮芯結構纖維的韌性僅為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。

梯度全納米結構纖維力學性能及強韌機制研究

應用前景：從航天熱防護到智能建筑

這種梯度全納米結構氣凝膠纖維的誕生，為多個領域提供了革新性解決方案：

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

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：在極地科考、深海探測等領域，GAFs可為設備和人員提供可靠的熱保護。

參考來源：

高分子科學前沿，Nature Communications

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

（中國粉體網編輯整理/輕言）

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