中國粉體網訊 在科技飛速發展的今天，導熱與散熱問題一直是材料科學領域的核心挑戰之一。無論是航天器的熱防護、建筑節能，還是極端環境下的設備保護，高效隔熱材料的研發都至關重要。
近日，安徽農業大學葉冬冬教授團隊聯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！這項研究成果發表在《Nature Communications》上，引發了廣泛關注。
傳統氣凝膠的瓶頸：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，從而實現卓越的隔熱性能。然而，傳統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：強韌兼備
除了優異的隔熱性能，GAFs的力學性能也實現了重大突破。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次拉伸循環后，性能和形貌幾乎不變，展現出極高的穩定性。
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境下，GAFs可有效保護航天器設備。
2）建筑節能：作為高效隔熱材料，GAFs可大幅降低建筑能耗。
3）極端環境防護：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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