陶瓷纳米纤维膜因其质量轻、低导热率和优异的防火/耐腐蚀性能而吸引着人们的关注，在个人防护、航天服装、能源环保等领域有着广泛的应用前景。纳米陶瓷纤维膜具有多孔的几何形态，包括纳米多孔结构和狭窄的孔径分布，限制了通过气体空隙的热传导，减缓了热辐射。然而，陶瓷纳米纤维膜通常具有固有的脆性和较弱的机械性能，因此，在施加机械应力、延长高温暴露或急剧的温度梯度下，陶瓷纳米纤维膜容易强度退化或结构崩溃，这限制了它们在许多前沿领域的应用。因此，开发在恶劣环境下获得较强机械性能，同时保持轻质和良好的隔热和耐火性能是长期面临的挑战。

基于此，西安工程大学张坤副教授团队提出了一种增强柔性陶瓷膜的简便方法，首先采用静电纺丝和后续的煅烧工艺制备出氧化锆-二氧化硅（ZrO2-SiO2）纳米纤维和蒙脱石（MMT）纳米片，接着通过交联大规模制备出兼具高柔性、机械稳定性和耐高温性的轻质陶瓷膜。由此产生的MMT@ZrO2-SiO2膜表现出高柔性，其弯曲刚度为0.2cN/mm，强大的机械性能，其抗拉强度高达1.83MPa，良好的耐火性，以及在-196-1000℃范围内不随温度变化的机械稳定性。

图1. MMT@ZrO2−SiO2纳米纤维膜的合成过程示意图。

超绝热材料低至0.026 W m-1 K-1的热导率以及增强的机械强度可归因于ZrO2-SiO2纳米纤维与MMT纳米片之间的交联界面相互作用。此外，内部带有MMT@ZrO2-SiO2膜的消防员制服具有高达A2级（暴露于火焰和辐射）的卓越热防护性能和高达1000℃的出色耐火性，是制造下一代消防员制服的理想材料。相关研究成果以“An Efficient Strategy for Reinforcing Flexible Ceramic Membranes”发表在期刊《Nano Letters》上。

图2. NFMs的结构表征。（a）MMT@ZrO2-SiO2和（b）ZrO2-SiO2 NFMs的微观结构。（a）和（b）中的插图对应于自支撑软NFMs的照片。（c）MMT@ZrO2-SiO2 NFMs的横截面FE-SEM图像。（d）MMT纳米片的TEM图像。（e）MMT@ZrO2-SiO2纤维网络的暗场TEM图像和（f）EDS映射。

图3. NFMs的机械性能和晶体结构。（a）ZrO2-SiO2和MMT@ZrO2-SiO2 NFMs的应力-应变曲线和（b）载荷位移。（c）MMT@ZrO2-SiO2 NFMs、ZrO2-SiO2 NFMs和MMT的XRD图谱。

图4.NFMs的隔热性能。（a）ZrO2-SiO2和MMT@ZrO2-SiO2 NFMs在108.5℃加热阶段的红外图像。（b）ZrO2-SiO2和MMT@ZrO2-SiO2 NFMs在冰板上的红外图像。

相比于商用消防服在TPP试验后开裂成碎片的脆性特征，添加ZrO2−SiO2 NFMs和MMT@ZrO2−SiO2 NFMs的复合消防服保持了整体性，没有观察到结构损伤。即使在剧烈的热冲击下，也能体现其优异的机械稳定性，满足耐火环境的高要求。选用了高性能陶瓷MMT@ZrO2−SiO2 NFMs来进一步研究防火性能，以保护人体免受燃烧伤害。如图 5d 所示，5 mm 厚的 MMT@ZrO2−SiO2 NFM 覆盖在研究人员的手臂上，以保护其免受热枪产生的大约 1000 °C 的高温，研究人员 对其加热约 1 分钟后，没有感觉到高热感。经过火处理后，MMT@ZrO2−SiO2 NFMs 仍然保持其完整性和柔韧性而不断裂，证明其耐高温和耐火。

图5. NFMs的保护性能。（a）消防员制服和MMT@ZrO2-SiO2 NFMs复合材料的展示和照片。（b）通过消防员制服和具有不同组合的NFMs传导热量的斯托尔曲线和（c）TPP值。（d）用于保护人体免受约1000℃灼伤的MMT@ZrO2-SiO2 NFMs的TPP。

总结：本研究通过氧化锆-二氧化硅 (ZrO2-SiO2) 纳米纤维和蒙脱石 (MMT) 纳米片之间的原位交联，通过低成本、可扩展的静电纺丝和煅烧方法制造机械和绝缘性能增强的陶瓷轻质膜，其中超薄 MMT 纳米片填充到纳米多孔 ZrO2-SiO2 纤维基质中并进一步与纤维接触。由此产生的 MMT@ZrO2−SiO2 膜表现出高柔韧性，弯曲刚度为 0.2 cN mm−1，优异的机械性能，拉伸强度高达 1.83 MPa，强大的耐火性，-196 到 1000 °C 的温度不变机械稳定性，绝热性能优良，导热系数低至 0.026 W m-1 K-1。

与纯ZrO2−SiO2膜相比，MMT在多孔基体内形成固体壁以及与ZrO2−SiO2纤维交联的协同作用提高了陶瓷膜的力学稳定性，同时提高了陶瓷膜的保温性能，为陶瓷膜的增强提供了良好的策略。此外，消防员制服内部有MMT@ZrO2−SiO2膜，具有最高达A2级(火焰和辐射暴露)的卓越热防护性能，以及高达1000°C的防火性能，可保护人体免受灼伤。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02657